某机载数据链端机的结构设计

刘攀

（中国电子科技集团公司第十研究所，成都 610036）

引言

某机载数据链端机工作于近海区域，考虑到其工作环境的盐雾、霉菌、湿热、温度、振动等外界环境条件非常恶劣，因此如何选择合适的整机结构形式和合理布局是解决设备的振动冲击、散热、三防以及可靠性和维护性等诸多问题，对于提高设备适应恶劣环境起着关键的作用。

根据设计要求，该训练数据链端机的设计尺寸为140（W）×126（H）×220（L）、重量小于5.6 kg、热耗预估为377 W、炮振量级为23 g。充分考虑端机的三防、减重、高量级振动及高热耗等方面要求，设计了一种比较优越的结构形式。

1 结构设计

传统的机载电子设备主要分为现场可更换单元（LRU）为基础的积木拼装式机箱结构和现场可更换模块（LRM）为基础的综合集成机箱结构[1]。综合集成式机箱具有集成度高，维修性好，但是设备额外增加了机箱外壳使设备重量增加，设备增加了额外的热阻，散热效果较差。积木拼装式机箱主要由多个模块串接形成整机，各模块之间的电信号连接多以电缆连接，集成度低，维修性差，但是具有良好的散热效果和便于减重设计[2]。

本机载数据链端机充分利用以上2种结构的优点。本端机采用积木拼装式结构，各模块具有独立的功能，易于模块的软硬件技术升级和扩展能力，各模块的高频信号通过盲插的方式实现电信号互联，低频信号通过母板和接口转换模块作为信号互联中枢，实现低频信号的互联。各模块根据自身的热耗大小选择自然散热或强迫风冷散热。

端机主要由终端模块、信道模块、功放模块、接口转换模块和母板组件组成。其中终端模块、信道模块、功放模块具有独立的功能，接口转换模块和母板组件作为低频信号互联中枢，高频信号通过各模块之间对插连接器的盲插互联，通过互相插合紧固实现电气和机械连接同步到位，从而实现了结构、电气、散热的紧藕合结构。终端模块、和功放模块均设计为带通风腔式密封屏蔽结构，这种结构具有良好的紧凑型、重量轻、散热好、抗振形好、维修方便、扩展性好等优点。端机的结构如图1所示。

图1 端机结构组成

2 热设计

2.1 散热方式的选择

机载电子产品的散热方式主要分为自然冷却、强迫风冷和液冷。自然冷却方式主要通过传导、自然对流和辐射来散热，具有可靠、安全和结构简单等优点，但散热效率较低；强迫风冷和液冷具有散热效率高的优点，但需要加装风机或液冷源，结构比较复杂，成本高。

对于机载设备散热方式的确定，可以按照以下计算公式来选择：

式中：

△Ts-a—设备工作时的允许温升，℃；

Ts—设备表面允许的最高温度，℃；

Ta—环境最高温度，℃。

式中：

φ—热流密度，W/cm2；

Φ—设备的最大热耗功率，W；

A—设备的热交换面积，cm2。

根据式（1）和式（2）参照文献[2]选择合适的散热方式。

本端机的热耗预估在377 W，各模块热耗如表1所示。

表1 端机的热耗分布

根据式（1）计算得到端机工作时的允许温升△Ts-a=25℃；按式（2）计算可分别得到终端模块的热流密度φ=0.023 W/cm2，信道模块的热流密度φ=0.018 W/cm2，功放模块的热流密度φ=0.245 W/cm2。按照文献[3]可知，终端模块和信道模块适用于自然散热冷却方式，功放模块适用于强迫风冷散热。

2.2 风机的选型

本端机功放模块采用强迫风冷散热，其热耗293.4 W，由公式：

式中：

Pr—设备热耗功率，W；

cp—空气比热，J/（kg·℃），标况下为1005 J/（kg·℃）；

ρ—空气密度，kg/m3，标况下为1.293 kg/m3；

△T—风道进口和出口的空气的温差，℃，一般情况下取6~10 ℃；

Qf—风机风量，m3/s。

按照式（3）计算得到端机所需的风量Qf=0.023 m3/s，根据所需风量，最终选择了EBM公司的422JH型号的风机，具体参数如表2所示。

表2 风机参数

功放模块采用3个422JH风机安装于功放模块的对外侧方位置，如图2所示。

图2 风机安装示意图

2.3 热设计初始方案

端机的64 %的热耗是来自于功放模块的两个功率管。单个功率管的热耗为120.5 W，热流密度约为37 W/cm2，端机的最高环境温度为70 ℃，功率管安装面的最高温度不能超过120 ℃。

为了使芯片的热量尽量传导出去，确保端机的正常工作，功放模块的功率管到腔体散热齿的热阻尽可能小，因此采用锡焊将功率管焊接在散热齿的底板背面上，金属腔体选用铝合金，有效降低了热阻，并且两个功率管尽量远离，防止高热耗器件集中产生局部高温。

为了验证方案可行性，对端机进行热仿真分析，仿真结果见图3和图4所示。可以看出功放模块的功率管远超过了许用温度，并且热耗没有充分传导出去，电路板的温度超过100 ℃，这又会导致电路板其他器件存在高温的风险，不能满足设计要求，必须对热设计方案进行改进。

图3 端机温度云图

图4 功放模块温度云图

2.4 改进方案

从初始方案来看，功率管壳温与风道输入空气的温差在56 ℃左右，说明功率管与风道冷却空气之间的热阻较大，热量无法有效的传导出去，还有较大的设计余量，因此优化设计主要降低功率管与风道冷却空气的热阻。

根据文献[4]中的理论，功率管到冷却空气的热阻采用热电模拟法进行热阻网络的热阻计算，其热阻可以表示为下列公式：

式中：

tb—散热器底座的厚度；

k—散热器的导热系数；

Wd—散热器的宽度；

Ld—散热器长度；

a—对流换热表面传递系数；

Aef—散热器流固交换面积；

ρ—流体密度；

Gd—通过散热器的流量；

Cp—流体工质的比热；

λ—流体导热系数；

As—热源与散热器表面接触面积。

根据式（4）~（7）可知，增加散热器的宽度、长度、散热器的导热系数、流体导热系数、对流换热表面传递系数、散热器流固交换面积、热源与散热器表面接触面积和通过散热器的流量与降低底座厚度可以减少整个热阻。

由于端机散热器的体积有限，增加散热器的宽度和长度不太现实，而增加散热器流固交换面积必须增加散热器的散热齿数量，在散热器宽度和风机不变情况下，这又会导致散热器流经的流量减小，因而我们只能从增加散热器的导热系数和降低散热器底座厚度来考虑。

常规的增加材料导热系数的措施是更换更高导热系数的材料、埋热管技术和采用VC均热板技术。

对比几种方法，本端机采用VC均热板技术，VC均热板相当于铝合金密度更小，可以起到减重效果，工艺性好。

根据功放模块盒体的布局，将功放模块做成一体化的VC均热板，具体结构如图5所示。要保证均热板的高导热系数，其厚度必须大于5 mm以上，本盒体的VC均热板的厚度设为6 mm。

图5 一体化均热板的结构

VC均热板的导热系数高达2 000 W/m·K以上，而铝合金的导热系数在130~180 W/m·K左右，选用VC均热板会大大降低热源与热沉的热阻，为了验证效果，对端机进行热仿真计算，仿真结果见图6和图7所示。

图6 整机外壳表面温度云图

图7 功率管温度云图

从仿真结果可以看出，两个功率管的壳温为110℃左右，小于最大壳温。通过一体化VC均热板技术，不仅提高了热设计的可靠性，并且相对铝合金减少了设备的重量。

改进方案加工了端机样机，设备成功顺利通过高温试验，证明了端机热设计的可靠性。

3 抗振动冲击设计

端机的抗振设计要在保证其可靠性和安全性的前提下进行。抗振设计后的设备不影响其各项技术指标的实现，同时能够满足规定的环境适应性的各项需求。

本端机是通过航标螺钉直接安装在飞机平台上，没有减振器隔振，因此端机自身必须具有较强抗冲击能力，提高端机抗振动冲击能力使结构的共振频率远离激励频率或则端机的危险频率[5]。

提高结构的抗振能力主要通过提高结构的刚度和增大产品结构阻尼。刚度越大，抵抗变形的能力越强，其自身固有频率越高； 本端机采用模块化设计思路，将端机划分为5个独立功能的模块，其中终端模块、信道模块和功放模块通过6根螺杆串接起来，接口转换模块和母板组件通过螺钉固定在三个模块结构件上，接口转换模块和母板组件可以作为整机的筋板，从而提高了整机的刚度；模块内部的印制板合理布局，元器件进行对称布局，安装尽量低矮，体积和质量较大的元器件布于靠近安装点的位置上；合理增加印制板固定点，减小电路板间距，从而提高印制板的刚度；对于质量大于5 g或则体积较大的元器件采取合理的加固措施（机械固定、粘接固定、局部灌封固定等）；减少内部走线，尽量缩短电缆的跨度，走线较长的线缆进行捆扎固定或则通过硅胶进行点胶固定。

4 三防设计

本端机主要工作于近海区域，因此其三防能力（防湿热、防霉菌、防盐雾）是重要的指标之一，也是结构设计中必须要解决的难题。本端机主要采取以下几个方面的防护措施：首选金属材料选用防锈铝5A06、不锈钢316L等耐腐蚀性优良的结构材料。非金属材料材料主要选用聚四氟乙烯、环氧玻璃钢等，同时避免产生接触腐蚀，防止电化、偶腐蚀，消除或减少接触材料间的电位差；其次端机主结构件为防锈铝5A06，表面采用彩色导电氧化电镀处理，外表面喷涂黑无光氟聚氨酯磁漆，不锈钢件表面采取抛光和钝化处理，在端机外表面形成保护性涂层，使潮气、盐雾和霉菌无法接触到零件，达到防护措施；再次模块内部印制板及其组件喷涂响应频率的三防漆；最后各模块的盖板与盒体、模块与模块之间和对外接插件与面板之间的接缝处均嵌入导电密封条，使各模块与外界空气隔离，不仅能防止潮气、盐雾和霉菌的侵入，而且能起到电磁屏蔽的效果，并且导电橡胶条选用共挤“M”形导电橡胶密封条，密封条衬垫采用硅橡胶和导电橡胶复合结构，能适应比较恶劣的环境，其结构形式及安装图如图 8所示。

图8 导电橡胶条安装结构形式

5 结论

某机载训练数据链端机工作环境恶劣、热耗高、体积小、重量轻。充分借鉴机载设备的两种结构形式优点，设计出一种模块化的结构形式，维修性方便、扩展能力强。着重对端机的热设计方案进行了分析，计算结果表明对于单个热源热流密度高，通过降低热路径的热阻能有效解决该类设备的有效方法。此外，端机的结构设计还涉及到抗振涉及、三防设计等。

经过实物样机的试验验证，这种结构形式具有耐高温、抗振性好、维修方便等优点，对同类产品具有一定的借鉴意义。