劉攀

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

引言

某機(jī)載數(shù)據(jù)鏈端機(jī)工作于近海區(qū)域，考慮到其工作環(huán)境的鹽霧、霉菌、濕熱、溫度、振動(dòng)等外界環(huán)境條件非常惡劣，因此如何選擇合適的整機(jī)結(jié)構(gòu)形式和合理布局是解決設(shè)備的振動(dòng)沖擊、散熱、三防以及可靠性和維護(hù)性等諸多問(wèn)題，對(duì)于提高設(shè)備適應(yīng)惡劣環(huán)境起著關(guān)鍵的作用。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈端機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸為140（W）×126（H）×220（L）、重量小于5.6 kg、熱耗預(yù)估為377 W、炮振量級(jí)為23 g。充分考慮端機(jī)的三防、減重、高量級(jí)振動(dòng)及高熱耗等方面要求，設(shè)計(jì)了一種比較優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的機(jī)載電子設(shè)備主要分為現(xiàn)場(chǎng)可更換單元（LRU）為基礎(chǔ)的積木拼裝式機(jī)箱結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊（LRM）為基礎(chǔ)的綜合集成機(jī)箱結(jié)構(gòu)[1]。綜合集成式機(jī)箱具有集成度高，維修性好，但是設(shè)備額外增加了機(jī)箱外殼使設(shè)備重量增加，設(shè)備增加了額外的熱阻，散熱效果較差。積木拼裝式機(jī)箱主要由多個(gè)模塊串接形成整機(jī)，各模塊之間的電信號(hào)連接多以電纜連接，集成度低，維修性差，但是具有良好的散熱效果和便于減重設(shè)計(jì)[2]。

本機(jī)載數(shù)據(jù)鏈端機(jī)充分利用以上2種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。本端機(jī)采用積木拼裝式結(jié)構(gòu)，各模塊具有獨(dú)立的功能，易于模塊的軟硬件技術(shù)升級(jí)和擴(kuò)展能力，各模塊的高頻信號(hào)通過(guò)盲插的方式實(shí)現(xiàn)電信號(hào)互聯(lián)，低頻信號(hào)通過(guò)母板和接口轉(zhuǎn)換模塊作為信號(hào)互聯(lián)中樞，實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)的互聯(lián)。各模塊根據(jù)自身的熱耗大小選擇自然散熱或強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。

端機(jī)主要由終端模塊、信道模塊、功放模塊、接口轉(zhuǎn)換模塊和母板組件組成。其中終端模塊、信道模塊、功放模塊具有獨(dú)立的功能，接口轉(zhuǎn)換模塊和母板組件作為低頻信號(hào)互聯(lián)中樞，高頻信號(hào)通過(guò)各模塊之間對(duì)插連接器的盲插互聯(lián)，通過(guò)互相插合緊固實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械連接同步到位，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、電氣、散熱的緊藕合結(jié)構(gòu)。終端模塊、和功放模塊均設(shè)計(jì)為帶通風(fēng)腔式密封屏蔽結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有良好的緊湊型、重量輕、散熱好、抗振形好、維修方便、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。端機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 端機(jī)結(jié)構(gòu)組成

2 熱設(shè)計(jì)

2.1 散熱方式的選擇

機(jī)載電子產(chǎn)品的散熱方式主要分為自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷和液冷。自然冷卻方式主要通過(guò)傳導(dǎo)、自然對(duì)流和輻射來(lái)散熱，具有可靠、安全和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但散熱效率較低；強(qiáng)迫風(fēng)冷和液冷具有散熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，但需要加裝風(fēng)機(jī)或液冷源，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本高。

對(duì)于機(jī)載設(shè)備散熱方式的確定，可以按照以下計(jì)算公式來(lái)選擇：

式中：

△Ts-a—設(shè)備工作時(shí)的允許溫升，℃；

Ts—設(shè)備表面允許的最高溫度，℃；

Ta—環(huán)境最高溫度，℃。

式中：

φ—熱流密度，W/cm2；

Φ—設(shè)備的最大熱耗功率，W；

A—設(shè)備的熱交換面積，cm2。

根據(jù)式（1）和式（2）參照文獻(xiàn)[2]選擇合適的散熱方式。

本端機(jī)的熱耗預(yù)估在377 W，各模塊熱耗如表1所示。

表1 端機(jī)的熱耗分布

根據(jù)式（1）計(jì)算得到端機(jī)工作時(shí)的允許溫升△Ts-a=25℃；按式（2）計(jì)算可分別得到終端模塊的熱流密度φ=0.023 W/cm2，信道模塊的熱流密度φ=0.018 W/cm2，功放模塊的熱流密度φ=0.245 W/cm2。按照文獻(xiàn)[3]可知，終端模塊和信道模塊適用于自然散熱冷卻方式，功放模塊適用于強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。

2.2 風(fēng)機(jī)的選型

本端機(jī)功放模塊采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，其熱耗293.4 W，由公式：

式中：

Pr—設(shè)備熱耗功率，W；

cp—空氣比熱，J/（kg·℃），標(biāo)況下為1005 J/（kg·℃）；

ρ—空氣密度，kg/m3，標(biāo)況下為1.293 kg/m3；

△T—風(fēng)道進(jìn)口和出口的空氣的溫差，℃，一般情況下取6~10 ℃；

Qf—風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s。

按照式（3）計(jì)算得到端機(jī)所需的風(fēng)量Qf=0.023 m3/s，根據(jù)所需風(fēng)量，最終選擇了EBM公司的422JH型號(hào)的風(fēng)機(jī)，具體參數(shù)如表2所示。

表2 風(fēng)機(jī)參數(shù)

功放模塊采用3個(gè)422JH風(fēng)機(jī)安裝于功放模塊的對(duì)外側(cè)方位置，如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)安裝示意圖

2.3 熱設(shè)計(jì)初始方案

端機(jī)的64 %的熱耗是來(lái)自于功放模塊的兩個(gè)功率管。單個(gè)功率管的熱耗為120.5 W，熱流密度約為37 W/cm2，端機(jī)的最高環(huán)境溫度為70 ℃，功率管安裝面的最高溫度不能超過(guò)120 ℃。

為了使芯片的熱量盡量傳導(dǎo)出去，確保端機(jī)的正常工作，功放模塊的功率管到腔體散熱齒的熱阻盡可能小，因此采用錫焊將功率管焊接在散熱齒的底板背面上，金屬腔體選用鋁合金，有效降低了熱阻，并且兩個(gè)功率管盡量遠(yuǎn)離，防止高熱耗器件集中產(chǎn)生局部高溫。

為了驗(yàn)證方案可行性，對(duì)端機(jī)進(jìn)行熱仿真分析，仿真結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4所示?？梢钥闯龉Ψ拍K的功率管遠(yuǎn)超過(guò)了許用溫度，并且熱耗沒(méi)有充分傳導(dǎo)出去，電路板的溫度超過(guò)100 ℃，這又會(huì)導(dǎo)致電路板其他器件存在高溫的風(fēng)險(xiǎn)，不能滿足設(shè)計(jì)要求，必須對(duì)熱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)。

圖3 端機(jī)溫度云圖

圖4 功放模塊溫度云圖

2.4 改進(jìn)方案

從初始方案來(lái)看，功率管殼溫與風(fēng)道輸入空氣的溫差在56 ℃左右，說(shuō)明功率管與風(fēng)道冷卻空氣之間的熱阻較大，熱量無(wú)法有效的傳導(dǎo)出去，還有較大的設(shè)計(jì)余量，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)主要降低功率管與風(fēng)道冷卻空氣的熱阻。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的理論，功率管到冷卻空氣的熱阻采用熱電模擬法進(jìn)行熱阻網(wǎng)絡(luò)的熱阻計(jì)算，其熱阻可以表示為下列公式：

式中：

tb—散熱器底座的厚度；

k—散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)；

Wd—散熱器的寬度；

Ld—散熱器長(zhǎng)度；

a—對(duì)流換熱表面?zhèn)鬟f系數(shù)；

Aef—散熱器流固交換面積；

ρ—流體密度；

Gd—通過(guò)散熱器的流量；

Cp—流體工質(zhì)的比熱；

λ—流體導(dǎo)熱系數(shù)；

As—熱源與散熱器表面接觸面積。

根據(jù)式（4）~（7）可知，增加散熱器的寬度、長(zhǎng)度、散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)、流體導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流換熱表面?zhèn)鬟f系數(shù)、散熱器流固交換面積、熱源與散熱器表面接觸面積和通過(guò)散熱器的流量與降低底座厚度可以減少整個(gè)熱阻。

由于端機(jī)散熱器的體積有限，增加散熱器的寬度和長(zhǎng)度不太現(xiàn)實(shí)，而增加散熱器流固交換面積必須增加散熱器的散熱齒數(shù)量，在散熱器寬度和風(fēng)機(jī)不變情況下，這又會(huì)導(dǎo)致散熱器流經(jīng)的流量減小，因而我們只能從增加散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)和降低散熱器底座厚度來(lái)考慮。

常規(guī)的增加材料導(dǎo)熱系數(shù)的措施是更換更高導(dǎo)熱系數(shù)的材料、埋熱管技術(shù)和采用VC均熱板技術(shù)。

對(duì)比幾種方法，本端機(jī)采用VC均熱板技術(shù)，VC均熱板相當(dāng)于鋁合金密度更小，可以起到減重效果，工藝性好。

根據(jù)功放模塊盒體的布局，將功放模塊做成一體化的VC均熱板，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。要保證均熱板的高導(dǎo)熱系數(shù)，其厚度必須大于5 mm以上，本盒體的VC均熱板的厚度設(shè)為6 mm。

圖5 一體化均熱板的結(jié)構(gòu)

VC均熱板的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2 000 W/m·K以上，而鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)在130~180 W/m·K左右，選用VC均熱板會(huì)大大降低熱源與熱沉的熱阻，為了驗(yàn)證效果，對(duì)端機(jī)進(jìn)行熱仿真計(jì)算，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7所示。

圖6 整機(jī)外殼表面溫度云圖

圖7 功率管溫度云圖

從仿真結(jié)果可以看出，兩個(gè)功率管的殼溫為110℃左右，小于最大殼溫。通過(guò)一體化VC均熱板技術(shù)，不僅提高了熱設(shè)計(jì)的可靠性，并且相對(duì)鋁合金減少了設(shè)備的重量。

改進(jìn)方案加工了端機(jī)樣機(jī)，設(shè)備成功順利通過(guò)高溫試驗(yàn)，證明了端機(jī)熱設(shè)計(jì)的可靠性。

3 抗振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)

端機(jī)的抗振設(shè)計(jì)要在保證其可靠性和安全性的前提下進(jìn)行。抗振設(shè)計(jì)后的設(shè)備不影響其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)能夠滿足規(guī)定的環(huán)境適應(yīng)性的各項(xiàng)需求。

本端機(jī)是通過(guò)航標(biāo)螺釘直接安裝在飛機(jī)平臺(tái)上，沒(méi)有減振器隔振，因此端機(jī)自身必須具有較強(qiáng)抗沖擊能力，提高端機(jī)抗振動(dòng)沖擊能力使結(jié)構(gòu)的共振頻率遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率或則端機(jī)的危險(xiǎn)頻率[5]。

提高結(jié)構(gòu)的抗振能力主要通過(guò)提高結(jié)構(gòu)的剛度和增大產(chǎn)品結(jié)構(gòu)阻尼。剛度越大，抵抗變形的能力越強(qiáng)，其自身固有頻率越高； 本端機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將端機(jī)劃分為5個(gè)獨(dú)立功能的模塊，其中終端模塊、信道模塊和功放模塊通過(guò)6根螺桿串接起來(lái)，接口轉(zhuǎn)換模塊和母板組件通過(guò)螺釘固定在三個(gè)模塊結(jié)構(gòu)件上，接口轉(zhuǎn)換模塊和母板組件可以作為整機(jī)的筋板，從而提高了整機(jī)的剛度；模塊內(nèi)部的印制板合理布局，元器件進(jìn)行對(duì)稱(chēng)布局，安裝盡量低矮，體積和質(zhì)量較大的元器件布于靠近安裝點(diǎn)的位置上；合理增加印制板固定點(diǎn)，減小電路板間距，從而提高印制板的剛度；對(duì)于質(zhì)量大于5 g或則體積較大的元器件采取合理的加固措施（機(jī)械固定、粘接固定、局部灌封固定等）；減少內(nèi)部走線，盡量縮短電纜的跨度，走線較長(zhǎng)的線纜進(jìn)行捆扎固定或則通過(guò)硅膠進(jìn)行點(diǎn)膠固定。

4 三防設(shè)計(jì)

本端機(jī)主要工作于近海區(qū)域，因此其三防能力（防濕熱、防霉菌、防鹽霧）是重要的指標(biāo)之一，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要解決的難題。本端機(jī)主要采取以下幾個(gè)方面的防護(hù)措施：首選金屬材料選用防銹鋁5A06、不銹鋼316L等耐腐蝕性?xún)?yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。非金屬材料材料主要選用聚四氟乙烯、環(huán)氧玻璃鋼等，同時(shí)避免產(chǎn)生接觸腐蝕，防止電化、偶腐蝕，消除或減少接觸材料間的電位差；其次端機(jī)主結(jié)構(gòu)件為防銹鋁5A06，表面采用彩色導(dǎo)電氧化電鍍處理，外表面噴涂黑無(wú)光氟聚氨酯磁漆，不銹鋼件表面采取拋光和鈍化處理，在端機(jī)外表面形成保護(hù)性涂層，使潮氣、鹽霧和霉菌無(wú)法接觸到零件，達(dá)到防護(hù)措施；再次模塊內(nèi)部印制板及其組件噴涂響應(yīng)頻率的三防漆；最后各模塊的蓋板與盒體、模塊與模塊之間和對(duì)外接插件與面板之間的接縫處均嵌入導(dǎo)電密封條，使各模塊與外界空氣隔離，不僅能防止潮氣、鹽霧和霉菌的侵入，而且能起到電磁屏蔽的效果，并且導(dǎo)電橡膠條選用共擠“M”形導(dǎo)電橡膠密封條，密封條襯墊采用硅橡膠和導(dǎo)電橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)比較惡劣的環(huán)境，其結(jié)構(gòu)形式及安裝圖如圖 8所示。

圖8 導(dǎo)電橡膠條安裝結(jié)構(gòu)形式

5 結(jié)論

某機(jī)載訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈端機(jī)工作環(huán)境惡劣、熱耗高、體積小、重量輕。充分借鑒機(jī)載設(shè)備的兩種結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種模塊化的結(jié)構(gòu)形式，維修性方便、擴(kuò)展能力強(qiáng)。著重對(duì)端機(jī)的熱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果表明對(duì)于單個(gè)熱源熱流密度高，通過(guò)降低熱路徑的熱阻能有效解決該類(lèi)設(shè)備的有效方法。此外，端機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還涉及到抗振涉及、三防設(shè)計(jì)等。

經(jīng)過(guò)實(shí)物樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證，這種結(jié)構(gòu)形式具有耐高溫、抗振性好、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品具有一定的借鑒意義。