某型直升機超短波電臺結構設計

王東，付月

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

引言

隨著機載電子設備的功能復雜性和集成化程度的不斷提高，使電子設備的總功耗和熱流密度持續攀升；為了提升載機機動性能、飛行速度、巡航時間或作戰半徑，對機載電子設備提出了更嚴苛的輕量化、小型化設計的需求[1,2]。如何在追求極致輕小化的同時兼顧散熱、抗沖振，以及高濕高熱、霉菌、鹽霧等惡劣工作環境的適應性，成為了電子設備研制過程中必須綜合考慮的問題，將貫穿于設備的整個生命周期之中。

某型直升機超短波電臺是數據鏈傳輸系統的重要組成設備，主要實現超短波頻段話音通信、數據通信及互聯網數據通信等功能。本文根據某型直升機平臺的環境適應性要求，開展了超短波電臺的結構總體設計、電氣互聯設計、散熱設計、抗沖振性能設計、三防設計等，并通過仿真分析和實物樣機研制進行了設計驗證。通過緊湊合理的結構總體布局、輕量化功能模塊設計、仿真驗證及試驗測試，證明了設備可以滿足實際使用需求，相關的設計思路可為類似機載設備提供借鑒。

1 結構總體設計

機載電子設備的結構設計逐漸圍繞著數字化、綜合化、模塊化、通用化和智能的“五化”方向發展。設備通常由具有不同功能的標準化模塊組合而成，在結構形式上，目前比較常見的有兩種：一種是功能模塊+綜合集成式機箱式，多個功能模塊裝入同一個機箱，通過機箱公用背板來實現模塊間的各類信號和信息的互聯傳遞，進而實現特定功能；另外一種是模塊積木拼裝串接式，多個功能模塊直接拼裝組合起來，通過模塊間的對插連接器或線纜來實現互聯互通，從而實現特定功能[3]。前者可以實現更高的集成度、維修性更佳；后者則因傳熱路徑短、附加結構件少等因素，在減重、散熱、抗沖振性能等方面具有明顯優勢。

根據本項目的實際需求，超短波電臺主要采用第二種結構形式，基于模塊化結構設計思想，充分考慮平臺使用環境、空間尺寸、重量等要求，開展整機結構布局和各功能模塊的結構設計。

根據設備的功能劃分，超短波電臺主要由電源模塊、功放模塊、信道模塊和終端模塊組成，設備整機結構外形尺寸為90 mm（寬）×187 mm（高）×270 mm（深）。各模塊均具有獨立的功能，可獨立實現軟件設計和功能擴展。各模塊之間通過定位銷孔和串接螺栓實現機械固定；各模塊的低頻信號傳遞通過電連接器盲插的方式實現，高頻信號通過連接器盲插和高頻線纜互聯的方式實現；各模塊根據內部器件的熱耗大小和抗溫能力的強弱來選擇強迫風冷或是自然散熱。設備結構如圖 1 所示。

2 輕量化設計

機載設備對重量的要求極其苛刻，本項目主要從結構減重和器件減重兩方面開展。

在結構減重方面，主要結構件采用性能優異的鋁合金5A06 材料，在保證整體強度和電磁屏蔽的情況下，采用外部減重槽減重，殼體內部使用T 型刀進一步去除多余結構，非承力部位的結構件壁厚控制在1mm 以內；對于散熱齒及導熱板，在保證導熱性能的前提下，對散熱齒的形狀、尺寸、布局進行了優化，以實現最大程度的減重。

在器件減重方面，在保證設備性能的前提下，優先選擇重量輕的器件；通過電路優化設計，去除多余的備份和冗余器件；對印制板上的器件采用符合標準的最小間距排布，以減小印制板尺寸；盡量減少內部的電纜互聯，改為盲插，或使線纜長度最短。

通過上述輕量化設計，設備的重量控制在5 kg 以內。

3 電氣互聯設計

設備對外的電氣互聯接口位于電源模塊尾部，采用高低頻混裝連接器，連接器直接焊接在電源模塊內部的印制板上，節約空間和重量。

設備內部的互聯存在高頻互聯和低頻互聯。低頻互聯采用連接器直接對插的方式實現（圖 2 中的①③④⑤⑥⑦）；射頻互聯除電源模塊與功放模塊之間采用連接器直接對插（圖 2 中的②）之外，其余互聯均通過整機前面的射頻互聯區域內的射頻線纜組件轉接的方式實現（圖 2 中的⑧~ 13）。

為節約空間和重量，所有對插連接器均未選用浮動連接器，與傳統積木式機載電子設備僅在二維上對插不同，本項目設備需要在XYZ 三個方向實現7 個連接器的盲插，給對插設計與實現提出了極大的挑戰。本項目主要從器件選型和公差控制兩方面開展。

在器件選型方面，相互對插的連接器來源于同一廠家；連接器具有導向功能；在滿足電性能的情況下，連接器需要具有一定的公差兼容性。

在公差控制方面，各模塊間均為盒體接觸，減少過渡結構件的數量，以減小尺寸公差；盒體上設計有銷孔結構，以控制盒體間的位置公差；印制板上設計有銷孔，以控制印制板與盒體間的位置公差。上述尺寸公差均控制在0.05 mm 以內。

通過上述設計，研制出的實物成功實現對插，滿足使用需求。

4 散熱設計

4.1 整體設計

直升機上的獨立電子設備的散熱主要采用自然冷卻和強迫風冷散熱為主，自然冷卻方式通過對流、傳導、輻射來散熱，適用于熱耗低、熱流密度小的器件，具有安全可靠、結構簡單等優點；強迫風冷方式通過風機來加速空氣的流通來提高換熱效率，適用于熱耗大、熱流密度高的器件，但需要加裝風機及相應的結構件，結構相對復雜，成本更高，可靠性有所降低[4]。

超短波電臺在發射時的熱耗約為180 W，接收時的熱耗約為75 W，按照發射和接收的占空比為1 ∶5 計算，整機的平均熱耗約為92.5 W。各模塊熱耗如表 1 所示。

整機熱耗中，功放模塊在發射時的占比最大，主要集中在內部的功率管上，熱耗為104 W，因此在整機散熱設計時，選用強迫風冷的散熱方式，并熱耗偏小的信道模塊放置在中間，其余模塊布置在左側、右側和后側，將功放模塊設計為“7”字型的頂部和右側兩部分，頂部結構布置熱耗最大的功率管，以使熱耗盡量的分散，降低模塊的熱流密度。此外，將風機直接布置在功放模塊上離功率管最近的位置，降低風阻。

整機采用雙風機，其中一個風機用于功放模塊的功率管，另外一個風機用于終端模塊、信道模塊及功放模塊的其他部分；進風口布置在整機的左右兩側，冷卻風穿過各模塊的散熱齒后由整機的前端抽出。整機的散熱結構如圖 3 所示。

4.2 風機選型

根據熱平衡方程Q=P/cρ △T，在設備平均熱耗P為92.5 W，空氣比熱c 為1 005 J/kg·℃，空氣密度ρ為1.293 kg/m3，考慮空氣的溫升△T 為8 ℃時，需要的風機風量Q=20.35 CFM，考慮設備風道需根據各模塊結構進行一體化設計，結構相對復雜，考慮2 倍余量，需要的風機風量應至少40.7 CFM。根據所需風量及設備需要滿足7 000 m 高空的使用要求，選擇奇航公司的2 只J36FZW524-28G-AB 型風機，該型風機最大風量為28 CFM，轉速為24 000 rpm，最大靜壓為87.4 mmH2O。

表1 端機的熱耗分布

圖2 電氣互聯示意圖

圖3 整機散熱結構示意圖

4.3 風道設計

由于設備安裝在直升機內部之后，頂部、底部和后面均有遮擋，只能從側面進風，各模塊的風道設計在整機的內部、各模塊的外部。對于電源模塊，由于表面熱流密度約為0.025 W/cm2，器件最大允許溫升為30 ℃，按照文獻[5]所提出的按熱流密度、溫升選擇冷卻方法，可通過自然散熱實現；對于信道模塊和終端模塊，將發熱量大的器件盡量靠近散熱齒布局；對于功放模塊，將小熱耗器件組合起來靠近散熱齒布局，將發熱量大的功率管單獨至于頂部，并設計單獨的散熱齒來提高散熱，同時盡量靠近風機，避免功率管的熱量加熱冷卻風后增高其他器件的溫度。各模塊的風道如圖 4 所示。

4.4 熱仿真分析

為了驗證散熱設計的合理性，掌握設備內部器件的溫度情況，利用FLOTHERM 軟件進行熱仿真分析。設備詳細模型結構相對復雜，為提高仿真效率和計算收斂性，對模型中的圓角、倒角、螺孔以及對熱仿真結果影響不大的緊固螺釘、連接器等均作刪除處理。根據各模塊的熱耗，在相應的熱源處設置相應的發熱功率，結構材料設定為5A06 鋁合金，仿真環境溫度設定為高溫71 ℃，7 000 m 高空。設備整機及各模塊的溫度云圖見圖 5~ 8所示，風道風速分布云圖如圖 9 所示。

從仿真結果可以看出，各器件的殼溫均小于110 ℃的許用殼溫，滿足使用要求。研制出的實物成功通過高濕溫試驗，驗證了設備熱設計的合理性。

5 抗沖振設計

5.1 結構抗沖振設計

超短波電臺通過安裝架直接硬裝在直升機內部的安裝平臺上，在設計時對整機、模塊進行了抗振動與沖擊設計，以提高其結構剛、強度，使結構的共振頻率遠離激勵頻率，以滿足環境條件對耐沖振性能的要求[6]。

圖4 模塊風道示意圖

圖5 整機溫度云圖

圖6 終端模塊溫度云圖

在整機耐沖振設計方面，單機采用模塊化組合串接的構型，為了增強單機各模塊的連接強度和抗振能力，分別從左右方向和前后方向進行串接，提高了單機的剛強度；同時，模塊之間采用銷孔嵌套設計，在實現模塊間導向定位的同時，輔助安裝螺栓承受剪切力，提高單機整體剛強度。

在模塊耐沖振設計方面，對較重的器件采用增加金屬支撐板，將較重的器件通過支撐板固定在印制板上，增加印制板的結構剛度和強度；對較大、重器件盡量采用螺釘安裝固定、對自身不帶有安裝孔位的也可以采用卡箍壓固的方式進行固定；對較大的電路板，在電路板中部位置適當增加緊固定螺釘，提高電路板的抗力學能力；對于模塊間互聯對插的低頻連接器，設計有連接器防護腔，在增強電磁屏蔽的同時，對連接器進行保護，防止連接器在插拔過程中發生彎曲破壞；盡量縮短模塊內部線纜的長度，在適當位置進行捆扎固定或通過硅橡膠進行固定。

5.2 力學仿真分析

為了驗證抗沖振設計的合理性，掌握設備內部器件和結構的應力情況，利用ANSYS WorkBench 軟件進行力學仿真分析。對不影響力學性能的結構進行了簡化，結構材料設定為5A06 鋁合金，印制板設定為FR4，仿真量級按照某直升機平臺提供的力學試驗條件進行，仿真模型如圖 10 所示。

通過仿真分析，得到設備前6 階模態如表 2 所示，前4 階模態振型如圖 11 所示。

從仿真結果可見，設備1 階固有頻率大于100 Hz，整體剛度較好。同時，在模態分析的基礎上，開展了隨機振動仿真分析、沖擊仿真分析、加速度仿真分析，從分析的結果來看，設備的最大應力出現了前端的緊定鉤附近，最大應力為275 MPa，相比于緊定鉤所使用TC4鈦合金的540 MPa 疲勞強度，還有較大余量，設備其余部位的應力和應變值均較小，均小于所使用材料的強度極限，并有足夠余量，能夠滿足直升機平臺振動環境的要求。研制出的實物成功通過各項力學試驗，驗證了抗沖振設計的合理性。

表2 設備模態分析結果

圖7 信道模塊溫度云圖

圖8 功放模塊頂部溫度云圖

圖9 風道風速分布云圖

圖10 設備力學仿真模型

圖11 設備前4 階模態振型云圖

6 三防設計

某型直升機具有近海工作的環境，海洋性氣候環境對電子設備在濕熱、霉菌、鹽霧等環境的防護能力提出了更高要求。濕熱會導致設備表面電阻率下降、加劇材料腐蝕；霉菌的滋生會使設備非金屬材料的腐蝕分解、絕緣性能降低，甚至導致設備失靈；鹽霧會造成設備金屬材料及其涂鍍層腐蝕，進而腐蝕內部零部件和元器件，影響絕緣性能、電性能[7][8]。本設備主要在原材料選型控制、密封設計、表面涂層設計等方面開展三防設計。

在原材料選型控制方面，結構件主要選用5A06 防銹鋁合金，局部零件選用TC4 鈦合金，緊固件選用316L不銹鋼，非金屬材料材料主要為聚四氟乙烯、FR4 等。

在密封設計方面，各模塊均采用封閉式結構，蓋板與盒體的連接處、模塊與模塊的對插連接器之間、各模塊與蓋板之間均使用了雷茲盾公司的COE601 型共擠出導電橡膠，具有良好的導電性和電磁屏蔽能力，并能實現優異的防水防塵，耐油耐高溫性能優異。

在表面涂層設計方面，設備外表面噴涂黑無光氟聚氨酯磁漆，鋁合金內表面進行彩色導電氧化電鍍處理，不銹鋼件表面進行鈍化處理；模塊內部印制板組件根據頻率不同分別噴涂S01-3 聚氨酯清漆、DC1-2577/DC1-2577G 有機硅彈性涂料；高低頻連接器噴涂SP2002S 防護膜；設備與安裝架的接觸面噴涂TS90-11 型耐磨涂料以避免漆面磨損，影響防護性能。

7 結論

本文針對某型直升機平臺超短波電臺的結構設計需求，從結構總體設計、電氣互聯設計、散熱設計、抗沖振性能設計、三防設計等方面全方位的闡述了該類設備的結構設計過程及解決方法，設計出了結構緊湊合理、環境適應性良好的電臺設備，通過仿真分析、實物樣機的試驗和測試，證明了設備環境適應性可以滿足實際使用需求，相關的設計思路可為類似機載設備提供借鑒。