某型直升机超短波电台结构设计

王东，付月

（中国电子科技集团公司第十研究所，成都 610036）

引言

随着机载电子设备的功能复杂性和集成化程度的不断提高，使电子设备的总功耗和热流密度持续攀升；为了提升载机机动性能、飞行速度、巡航时间或作战半径，对机载电子设备提出了更严苛的轻量化、小型化设计的需求[1,2]。如何在追求极致轻小化的同时兼顾散热、抗冲振，以及高湿高热、霉菌、盐雾等恶劣工作环境的适应性，成为了电子设备研制过程中必须综合考虑的问题，将贯穿于设备的整个生命周期之中。

某型直升机超短波电台是数据链传输系统的重要组成设备，主要实现超短波频段话音通信、数据通信及互联网数据通信等功能。本文根据某型直升机平台的环境适应性要求，开展了超短波电台的结构总体设计、电气互联设计、散热设计、抗冲振性能设计、三防设计等，并通过仿真分析和实物样机研制进行了设计验证。通过紧凑合理的结构总体布局、轻量化功能模块设计、仿真验证及试验测试，证明了设备可以满足实际使用需求，相关的设计思路可为类似机载设备提供借鉴。

1 结构总体设计

机载电子设备的结构设计逐渐围绕着数字化、综合化、模块化、通用化和智能的“五化”方向发展。设备通常由具有不同功能的标准化模块组合而成，在结构形式上，目前比较常见的有两种：一种是功能模块+综合集成式机箱式，多个功能模块装入同一个机箱，通过机箱公用背板来实现模块间的各类信号和信息的互联传递，进而实现特定功能；另外一种是模块积木拼装串接式，多个功能模块直接拼装组合起来，通过模块间的对插连接器或线缆来实现互联互通，从而实现特定功能[3]。前者可以实现更高的集成度、维修性更佳；后者则因传热路径短、附加结构件少等因素，在减重、散热、抗冲振性能等方面具有明显优势。

根据本项目的实际需求，超短波电台主要采用第二种结构形式，基于模块化结构设计思想，充分考虑平台使用环境、空间尺寸、重量等要求，开展整机结构布局和各功能模块的结构设计。

根据设备的功能划分，超短波电台主要由电源模块、功放模块、信道模块和终端模块组成，设备整机结构外形尺寸为90 mm（宽）×187 mm（高）×270 mm（深）。各模块均具有独立的功能，可独立实现软件设计和功能扩展。各模块之间通过定位销孔和串接螺栓实现机械固定；各模块的低频信号传递通过电连接器盲插的方式实现，高频信号通过连接器盲插和高频线缆互联的方式实现；各模块根据内部器件的热耗大小和抗温能力的强弱来选择强迫风冷或是自然散热。设备结构如图 1 所示。

2 轻量化设计

机载设备对重量的要求极其苛刻，本项目主要从结构减重和器件减重两方面开展。

在结构减重方面，主要结构件采用性能优异的铝合金5A06 材料，在保证整体强度和电磁屏蔽的情况下，采用外部减重槽减重，壳体内部使用T 型刀进一步去除多余结构，非承力部位的结构件壁厚控制在1mm 以内；对于散热齿及导热板，在保证导热性能的前提下，对散热齿的形状、尺寸、布局进行了优化，以实现最大程度的减重。

在器件减重方面，在保证设备性能的前提下，优先选择重量轻的器件；通过电路优化设计，去除多余的备份和冗余器件；对印制板上的器件采用符合标准的最小间距排布，以减小印制板尺寸；尽量减少内部的电缆互联，改为盲插，或使线缆长度最短。

通过上述轻量化设计，设备的重量控制在5 kg 以内。

3 电气互联设计

设备对外的电气互联接口位于电源模块尾部，采用高低频混装连接器，连接器直接焊接在电源模块内部的印制板上，节约空间和重量。

设备内部的互联存在高频互联和低频互联。低频互联采用连接器直接对插的方式实现（图 2 中的①③④⑤⑥⑦）；射频互联除电源模块与功放模块之间采用连接器直接对插（图 2 中的②）之外，其余互联均通过整机前面的射频互联区域内的射频线缆组件转接的方式实现（图 2 中的⑧~ 13）。

为节约空间和重量，所有对插连接器均未选用浮动连接器，与传统积木式机载电子设备仅在二维上对插不同，本项目设备需要在XYZ 三个方向实现7 个连接器的盲插，给对插设计与实现提出了极大的挑战。本项目主要从器件选型和公差控制两方面开展。

在器件选型方面，相互对插的连接器来源于同一厂家；连接器具有导向功能；在满足电性能的情况下，连接器需要具有一定的公差兼容性。

在公差控制方面，各模块间均为盒体接触，减少过渡结构件的数量，以减小尺寸公差；盒体上设计有销孔结构，以控制盒体间的位置公差；印制板上设计有销孔，以控制印制板与盒体间的位置公差。上述尺寸公差均控制在0.05 mm 以内。

通过上述设计，研制出的实物成功实现对插，满足使用需求。

4 散热设计

4.1 整体设计

直升机上的独立电子设备的散热主要采用自然冷却和强迫风冷散热为主，自然冷却方式通过对流、传导、辐射来散热，适用于热耗低、热流密度小的器件，具有安全可靠、结构简单等优点；强迫风冷方式通过风机来加速空气的流通来提高换热效率，适用于热耗大、热流密度高的器件，但需要加装风机及相应的结构件，结构相对复杂，成本更高，可靠性有所降低[4]。

超短波电台在发射时的热耗约为180 W，接收时的热耗约为75 W，按照发射和接收的占空比为1 ∶5 计算，整机的平均热耗约为92.5 W。各模块热耗如表 1 所示。

整机热耗中，功放模块在发射时的占比最大，主要集中在内部的功率管上，热耗为104 W，因此在整机散热设计时，选用强迫风冷的散热方式，并热耗偏小的信道模块放置在中间，其余模块布置在左侧、右侧和后侧，将功放模块设计为“7”字型的顶部和右侧两部分，顶部结构布置热耗最大的功率管，以使热耗尽量的分散，降低模块的热流密度。此外，将风机直接布置在功放模块上离功率管最近的位置，降低风阻。

整机采用双风机，其中一个风机用于功放模块的功率管，另外一个风机用于终端模块、信道模块及功放模块的其他部分；进风口布置在整机的左右两侧，冷却风穿过各模块的散热齿后由整机的前端抽出。整机的散热结构如图 3 所示。

4.2 风机选型

根据热平衡方程Q=P/cρ △T，在设备平均热耗P为92.5 W，空气比热c 为1 005 J/kg·℃，空气密度ρ为1.293 kg/m3，考虑空气的温升△T 为8 ℃时，需要的风机风量Q=20.35 CFM，考虑设备风道需根据各模块结构进行一体化设计，结构相对复杂，考虑2 倍余量，需要的风机风量应至少40.7 CFM。根据所需风量及设备需要满足7 000 m 高空的使用要求，选择奇航公司的2 只J36FZW524-28G-AB 型风机，该型风机最大风量为28 CFM，转速为24 000 rpm，最大静压为87.4 mmH2O。

表1 端机的热耗分布

图2 电气互联示意图

图3 整机散热结构示意图

4.3 风道设计

由于设备安装在直升机内部之后，顶部、底部和后面均有遮挡，只能从侧面进风，各模块的风道设计在整机的内部、各模块的外部。对于电源模块，由于表面热流密度约为0.025 W/cm2，器件最大允许温升为30 ℃，按照文献[5]所提出的按热流密度、温升选择冷却方法，可通过自然散热实现；对于信道模块和终端模块，将发热量大的器件尽量靠近散热齿布局；对于功放模块，将小热耗器件组合起来靠近散热齿布局，将发热量大的功率管单独至于顶部，并设计单独的散热齿来提高散热，同时尽量靠近风机，避免功率管的热量加热冷却风后增高其他器件的温度。各模块的风道如图 4 所示。

4.4 热仿真分析

为了验证散热设计的合理性，掌握设备内部器件的温度情况，利用FLOTHERM 软件进行热仿真分析。设备详细模型结构相对复杂，为提高仿真效率和计算收敛性，对模型中的圆角、倒角、螺孔以及对热仿真结果影响不大的紧固螺钉、连接器等均作删除处理。根据各模块的热耗，在相应的热源处设置相应的发热功率，结构材料设定为5A06 铝合金，仿真环境温度设定为高温71 ℃，7 000 m 高空。设备整机及各模块的温度云图见图 5~ 8所示，风道风速分布云图如图 9 所示。

从仿真结果可以看出，各器件的壳温均小于110 ℃的许用壳温，满足使用要求。研制出的实物成功通过高湿温试验，验证了设备热设计的合理性。

5 抗冲振设计

5.1 结构抗冲振设计

超短波电台通过安装架直接硬装在直升机内部的安装平台上，在设计时对整机、模块进行了抗振动与冲击设计，以提高其结构刚、强度，使结构的共振频率远离激励频率，以满足环境条件对耐冲振性能的要求[6]。

图4 模块风道示意图

图5 整机温度云图

图6 终端模块温度云图

在整机耐冲振设计方面，单机采用模块化组合串接的构型，为了增强单机各模块的连接强度和抗振能力，分别从左右方向和前后方向进行串接，提高了单机的刚强度；同时，模块之间采用销孔嵌套设计，在实现模块间导向定位的同时，辅助安装螺栓承受剪切力，提高单机整体刚强度。

在模块耐冲振设计方面，对较重的器件采用增加金属支撑板，将较重的器件通过支撑板固定在印制板上，增加印制板的结构刚度和强度；对较大、重器件尽量采用螺钉安装固定、对自身不带有安装孔位的也可以采用卡箍压固的方式进行固定；对较大的电路板，在电路板中部位置适当增加紧固定螺钉，提高电路板的抗力学能力；对于模块间互联对插的低频连接器，设计有连接器防护腔，在增强电磁屏蔽的同时，对连接器进行保护，防止连接器在插拔过程中发生弯曲破坏；尽量缩短模块内部线缆的长度，在适当位置进行捆扎固定或通过硅橡胶进行固定。

5.2 力学仿真分析

为了验证抗冲振设计的合理性，掌握设备内部器件和结构的应力情况，利用ANSYS WorkBench 软件进行力学仿真分析。对不影响力学性能的结构进行了简化，结构材料设定为5A06 铝合金，印制板设定为FR4，仿真量级按照某直升机平台提供的力学试验条件进行，仿真模型如图 10 所示。

通过仿真分析，得到设备前6 阶模态如表 2 所示，前4 阶模态振型如图 11 所示。

从仿真结果可见，设备1 阶固有频率大于100 Hz，整体刚度较好。同时，在模态分析的基础上，开展了随机振动仿真分析、冲击仿真分析、加速度仿真分析，从分析的结果来看，设备的最大应力出现了前端的紧定钩附近，最大应力为275 MPa，相比于紧定钩所使用TC4钛合金的540 MPa 疲劳强度，还有较大余量，设备其余部位的应力和应变值均较小，均小于所使用材料的强度极限，并有足够余量，能够满足直升机平台振动环境的要求。研制出的实物成功通过各项力学试验，验证了抗冲振设计的合理性。

表2 设备模态分析结果

图7 信道模块温度云图

图8 功放模块顶部温度云图

图9 风道风速分布云图

图10 设备力学仿真模型

图11 设备前4 阶模态振型云图

6 三防设计

某型直升机具有近海工作的环境，海洋性气候环境对电子设备在湿热、霉菌、盐雾等环境的防护能力提出了更高要求。湿热会导致设备表面电阻率下降、加剧材料腐蚀；霉菌的滋生会使设备非金属材料的腐蚀分解、绝缘性能降低，甚至导致设备失灵；盐雾会造成设备金属材料及其涂镀层腐蚀，进而腐蚀内部零部件和元器件，影响绝缘性能、电性能[7][8]。本设备主要在原材料选型控制、密封设计、表面涂层设计等方面开展三防设计。

在原材料选型控制方面，结构件主要选用5A06 防锈铝合金，局部零件选用TC4 钛合金，紧固件选用316L不锈钢，非金属材料材料主要为聚四氟乙烯、FR4 等。

在密封设计方面，各模块均采用封闭式结构，盖板与盒体的连接处、模块与模块的对插连接器之间、各模块与盖板之间均使用了雷兹盾公司的COE601 型共挤出导电橡胶，具有良好的导电性和电磁屏蔽能力，并能实现优异的防水防尘，耐油耐高温性能优异。

在表面涂层设计方面，设备外表面喷涂黑无光氟聚氨酯磁漆，铝合金内表面进行彩色导电氧化电镀处理，不锈钢件表面进行钝化处理；模块内部印制板组件根据频率不同分别喷涂S01-3 聚氨酯清漆、DC1-2577/DC1-2577G 有机硅弹性涂料；高低频连接器喷涂SP2002S 防护膜；设备与安装架的接触面喷涂TS90-11 型耐磨涂料以避免漆面磨损，影响防护性能。

7 结论

本文针对某型直升机平台超短波电台的结构设计需求，从结构总体设计、电气互联设计、散热设计、抗冲振性能设计、三防设计等方面全方位的阐述了该类设备的结构设计过程及解决方法，设计出了结构紧凑合理、环境适应性良好的电台设备，通过仿真分析、实物样机的试验和测试，证明了设备环境适应性可以满足实际使用需求，相关的设计思路可为类似机载设备提供借鉴。