彈載設(shè)備結(jié)構(gòu)電氣一體化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

史若沖，楊春雷，常新月，張 濤，王志紅

0 引 言

近年來隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等飛速發(fā)展，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈呈現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、低成本化的發(fā)展趨勢。戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)逐漸由單一的制導(dǎo)控制載體，演變成具備攻防對抗、目標(biāo)規(guī)劃、產(chǎn)品全壽命信息等多功能的綜合平臺。

傳統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)由多個(gè)承擔(dān)不同功能的分立式單機(jī)組成，單機(jī)間依靠電纜網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。隨著戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈功能需求的增加，只能依靠增加電氣設(shè)備的數(shù)量，電氣系統(tǒng)擴(kuò)展能力差，且狹小的艙體制約了單機(jī)的尺寸、重量和散熱性能，差異性外形接口與復(fù)雜電纜網(wǎng)增加了導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)的難度，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路難以適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)展的需求。

結(jié)構(gòu)電氣一體化技術(shù)作為一種建立在系統(tǒng)總體技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、自動控制技術(shù)、載荷環(huán)境技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感與測試技術(shù)、可靠性技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)群體基礎(chǔ)上的系統(tǒng)性綜合技術(shù)，突出強(qiáng)調(diào)各項(xiàng)技術(shù)的相互滲透和有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)在功能、重量、耗能、可靠性等方面的最優(yōu)[1,2]。通用性設(shè)計(jì)是為了最大限度地?cái)U(kuò)大產(chǎn)品的使用范圍[3,4]，開放性設(shè)計(jì)是為了滿足產(chǎn)品升級換代的需求。因此，開展戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈通用開放式結(jié)構(gòu)電氣一體化設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈向集成化、低成本化發(fā)展的一項(xiàng)最基本且十分關(guān)鍵的技術(shù)。

1 通用結(jié)構(gòu)電氣一體化設(shè)計(jì)方案

本文提出的電氣系統(tǒng)是一個(gè)通用化開放式架構(gòu)平臺，該平臺以通用電氣功能模塊為基本組成單元，具有良好的集成性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，對傳統(tǒng)彈上電氣系統(tǒng)進(jìn)行功能分析和分解，按照系統(tǒng)最優(yōu)原則進(jìn)行功能再分配，形成由統(tǒng)一電氣接口和機(jī)械接口組成的多個(gè)通用電氣模塊，在背板上通過以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)時(shí)高速通信實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。結(jié)構(gòu)電氣一體化設(shè)計(jì)主要從彈上電氣系統(tǒng)通用化設(shè)計(jì)、艙體高填裝結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)、集成化電氣系統(tǒng)熱控設(shè)計(jì)以及一體化減振及整體電磁屏蔽設(shè)計(jì)等4個(gè)方面開展。

1.1 彈上電氣系統(tǒng)通用化設(shè)計(jì)

彈上電氣系統(tǒng)通用化設(shè)計(jì)包括：通用化機(jī)械接口設(shè)計(jì)、模塊結(jié)構(gòu)防插錯(cuò)設(shè)計(jì)、模塊快速起拔設(shè)計(jì)、通用化電氣接口設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 通用化設(shè)計(jì)Fig.1 A Universal Design for the Electronic Module

a）通用化機(jī)械接口設(shè)計(jì)：統(tǒng)一通用電氣模塊與機(jī)箱裝配尺寸，形成規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)模塊，根據(jù)電氣功能需求實(shí)現(xiàn)功能模塊的模塊化快速組合，形成了“功能定制”與“模塊通用”的高效電氣組合機(jī)制。非配合面尺寸要求具有足夠的配合間隙，配合面采用楔形鎖緊連接形式，使得配合尺寸在一定尺寸范圍內(nèi)具有可調(diào)節(jié)性，確保設(shè)計(jì)具有良好的通用性。

b）模塊結(jié)構(gòu)防插錯(cuò)設(shè)計(jì)：為了避免模塊的誤插拔，在模塊兩側(cè)分別布置導(dǎo)向銷，導(dǎo)向銷上設(shè)置特定缺口配合結(jié)構(gòu)，可調(diào)整缺口角度達(dá)到結(jié)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向和防插錯(cuò)功能融合的一體化設(shè)計(jì)。

c）模塊快速起拔設(shè)計(jì)：起拔裝置采用杠桿原理減輕實(shí)際操作力，起拔力作用在模塊中心面，保證了起拔過程中連接器正常分離，起拔裝置提高了模塊的操作性能。

無論英語，還是漢語，都擁有數(shù)量龐大的人體詞。人體詞，也叫人體部位詞，是我們最為熟悉的詞類之一，英語中的人體詞有“face”“eye”“nose”“mouth”“ear”“heart”“foot”等，對應(yīng)地，漢語中也有“面”“耳”“鼻”“口”“耳”“心”“足”等。在實(shí)際應(yīng)用中，人體詞除了具有指示人體各部位的基本含義之外，往往還具有多義的特征。多項(xiàng)詞義的構(gòu)建使得原本意義和所指單一的身體詞具有了更廣泛的延伸意義。

d）通用化電氣接口設(shè)計(jì)：統(tǒng)一規(guī)范了電氣接插件規(guī)格，對接口分區(qū)管理，A區(qū)為模塊主電源、模塊物理地址接口、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)復(fù)位等，B區(qū)為單端和差分信號、參考時(shí)鐘信號等，C區(qū)為自定義接口，可按需求設(shè)計(jì)差分對接口或單端信號口。

集成電氣系統(tǒng)通用化設(shè)計(jì)是航空航天電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方向[5]，保障了通用電氣模塊在多型號中的通用互換，是實(shí)現(xiàn)彈載設(shè)備開放式架構(gòu)的基礎(chǔ)。通用化電氣系統(tǒng)有利于模塊的快速更換、升級維修以及新模塊接入，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈武器的低成本設(shè)計(jì)、快速批產(chǎn)能力以及維修保障性能。

1.2 艙體高填裝結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)

艙體高填裝結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 高填裝布局設(shè)計(jì)Fig.2 The Layout Design of High Filled

a）通用單元的拼裝式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：為了提高背板電路的可設(shè)計(jì)性、載荷/熱環(huán)境的一致性，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模塊隔離基礎(chǔ)上，規(guī)定以 4個(gè)通用連接槽為一個(gè)通用單元，通用單元的數(shù)量根據(jù)不同類型導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)的實(shí)際需求選擇，多余槽位經(jīng)適當(dāng)分配可作為擴(kuò)展功能留存。

b）與內(nèi)腔隨形的設(shè)備外形設(shè)計(jì)：對通用單元進(jìn)行合理的組裝拼接，合理布局對外接插件的空間位置，使得設(shè)備外形輪廓與艙體內(nèi)輪廓相匹配，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈艙體空間的充分利用。

c）快速拆裝的整體支架設(shè)計(jì)：模塊組合通過一體式支架轉(zhuǎn)接至艙壁上，支架上各功能單元在艙外實(shí)現(xiàn)裝配，避免了艙體狹小空間操作困難的問題，支架與艙壁通過多點(diǎn)固定的連接形式，受內(nèi)腔異性面影響小，連接可實(shí)現(xiàn)快速拆卸功能，提高電氣系統(tǒng)的維修性。

導(dǎo)彈高填裝設(shè)備結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，從系統(tǒng)總體角度，提高了空間利用率、設(shè)計(jì)通用性、使用便捷性、環(huán)境可靠性，實(shí)現(xiàn)了電氣系統(tǒng)多性能整體提升。

1.3 集成化電氣系統(tǒng)熱控設(shè)計(jì)

a）模塊級熱控設(shè)計(jì)：目標(biāo)是將發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量快速傳導(dǎo)至模塊外部，可通過優(yōu)化發(fā)熱元件空間布局、增加傳導(dǎo)路徑、降低傳導(dǎo)熱阻等方式實(shí)現(xiàn)。模塊級的熱傳遞通道包含：冷板傳熱通道、PCB板傳熱通道和自然輻射通道。

b）單元級熱控設(shè)計(jì)：目標(biāo)是將內(nèi)部傳遞出來的熱量快速散發(fā)或吸收，可通過增大單元輻射面積和輻射系數(shù)或使用風(fēng)冷技術(shù)提高單元對外散熱能力。單元級的熱傳遞通道包含自然輻射通道和肋片風(fēng)冷通道。

集成化電氣系統(tǒng)熱控設(shè)計(jì)是一門涉及熱、結(jié)構(gòu)、電氣、材料等多學(xué)科融合的新技術(shù)，通過對整個(gè)電氣系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一熱控管理，建立不同電子功耗對應(yīng)的熱控貨架選型方案，實(shí)現(xiàn)低功耗、小質(zhì)量、低成本的熱控設(shè)計(jì)。

圖3 系統(tǒng)熱控設(shè)計(jì)Fig.3 The Thermal Design and Control of System

1.4 一體化減振及整體電磁屏蔽設(shè)計(jì)

a）一體式減振設(shè)計(jì)：對模塊組合進(jìn)行一體式減振設(shè)計(jì)，在支架與艙壁連接處采用橡膠減振器進(jìn)行隔振處理，為彈上電氣系統(tǒng)提供一個(gè)良好的力學(xué)環(huán)境。減振器采用硅橡膠材料，具有良好的耐高溫性能，該材料在-20～160 ℃范圍內(nèi)具有良好一致性。通過調(diào)整硅橡膠材料配比和結(jié)構(gòu)尺寸可設(shè)計(jì)出需要的諧振頻率。

b）整體電磁屏蔽設(shè)計(jì)：模塊組合殼體采用具有高導(dǎo)電率的鋁合金材料，模塊組合上下口蓋采用貼有導(dǎo)電橡膠的鋁板進(jìn)行整體密封，鋁板安裝螺釘排列緊密，口蓋搭接性良好，組合結(jié)構(gòu)外殼電介質(zhì)連續(xù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的電磁屏蔽。

2 通用結(jié)構(gòu)電氣設(shè)備性能試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 熱穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)

彈載設(shè)備在室溫下重復(fù)運(yùn)行飛行程序，獲得的溫升曲線如圖4所示。由圖4可以得出，該設(shè)備重復(fù)進(jìn)行 6次飛行程序（受軟件初始化限制，每次飛行程序結(jié)束后需斷電，系統(tǒng)10 s內(nèi)再次通電）的電氣模塊最高溫度的變化情況，通用電氣模塊內(nèi)部最高溫度滿足不大于85 ℃的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值，試驗(yàn)驗(yàn)證了該熱控方法設(shè)計(jì)的正確性。

圖4 溫升曲線Fig.4 The Temperature Rise Curve of the Electronic Module

2.2 系統(tǒng)振動試驗(yàn)

彈載設(shè)備在電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)（滑臺）上按照導(dǎo)彈飛行驗(yàn)收功率譜密度條件開展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1和圖5，其中放大倍數(shù)是每個(gè)頻率點(diǎn)設(shè)備減振后輸出加速度幅值與減振前輸入加速度幅值的比值，系統(tǒng)減振效率為 η = ( G rms輸入? Grms設(shè)備) Grms設(shè)備，其中：Grms輸入為試驗(yàn)工裝上減振前的均方根值，Grms設(shè)備為彈載設(shè)備上經(jīng)減振器減振后的平均響應(yīng)均方根值。一體化減振設(shè)計(jì)使得 X、Y、Z方向的減振效率分別達(dá)到了 49.3%、75.5%和51.9%，200～2000 Hz頻帶范圍的振動被明顯衰減，減振效果明顯。一體化減振器的設(shè)計(jì)使得一體式組合結(jié)構(gòu)的一階和二階頻率避開了導(dǎo)彈殼體上的諧振頻率點(diǎn)，避免了頻率強(qiáng)耦合情況發(fā)生，為電氣模塊提供了良好的環(huán)境條件。

表1 整體減振性能Tab.1 The Performance of Integrated Vibration Absorption

圖5 三方向減振器動態(tài)特性Fig.5 The Dynamic Characteristics of the Shock Absorber in Three Ways

2.3 電磁兼容試驗(yàn)

根據(jù)GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》的要求，彈載設(shè)備需經(jīng)過輻射場干擾考核，輻射場強(qiáng)參考“陸軍空間”極限值電平（20 V/m）施加，干擾注入頻段為10 kHz～18 GHz。試驗(yàn)過程中輻射發(fā)射天線正對彈載設(shè)備，試驗(yàn)配置見圖6，設(shè)備加電同步運(yùn)行飛行程序。結(jié)果顯示，電氣系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)控正常，設(shè)備電磁屏蔽性設(shè)計(jì)良好。

圖6 RS103試驗(yàn)配置Fig.6 The Set-up of an RS103 Experiment

3 結(jié)束語

本文從通用化、空間布局、熱/力/電磁環(huán)境等方面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)電氣一體化設(shè)計(jì)，并通過性能試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性。彈載設(shè)備采用結(jié)構(gòu)電氣一體化設(shè)計(jì)方法，具有結(jié)構(gòu)重量輕、體積小、零部組件少、集成化程度高、擴(kuò)展能力好、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)彈載設(shè)備定制性強(qiáng)、通用化程度低、系統(tǒng)集成優(yōu)化度弱和擴(kuò)展性差等問題，能夠滿足戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈對低成本、集成化和智能化的發(fā)展需求。