潜艇电子设备环境适应性设计研究

李伟刚 卢文忠 邓基忠

（海军潜艇学院三系，山东青岛 266071）

1 引言

随着潜艇自动化设计程度的提高，潜艇上装配了大量的电子设备。现代复杂多变的战场环境，对这些电子设备的环境适应性提出了很高的要求。电子产品对环境的适应性直接影响到设备能否可靠地工作及其使用寿命，已经成为设备重要的战术指标要求，不断提高其环境适应性是相关人员始终需要关注并亟待解决的课题。

2 潜载电子设备面临的环境条件

潜艇作为一种海洋环境机动作战平台，内部空间狭小，结构复杂，系统众多，它航行在不同的海区和不同的深度，其环境条件变化很大。海洋高盐度、高温和高湿环境使潜艇上电子装备的材料和结构受到腐蚀和破坏，同一种结构材料在海洋环境中的腐蚀往往要比内陆高出数十倍[1]。在战时，当受到敌水中兵器攻击时，艇体剧烈冲击振动传递到艇内的电子设备上，使其受到冲击破坏。由此可见，环境因素是潜艇上电子设备在使用中无法回避且时刻受影响的重要因素。潜艇电子设备面临的主要环境可分为气候环境，机械环境，电磁环境，生物、化学环境等。各种环境因素不是单一的，而是多个同时作用于设备。

3 环境适应性设计步骤

GJB4239-2001《装备环境工程通用要求》中定义的环境适应性是指：装备(产品)在其寿命期预计可能遇到的各种环境的作用下，能实现其所有预定功能和性能和(或)不被破坏的能力。从定义可以看出，环境适应性是装备的一个质量特性，是装备固有的能力，这一能力是通过设计纳入装备的[2]。电子设备的环境适应性设计贯穿于设备研制的全过程，主要包括以下四个阶段。

3.1 设备环境条件评估

在设备的研制之初，首先要对设备可能承受的环境条件进行科学、合理的分析，了解环境因素对设备正常工作影响的程度，确定对产品效能正常发挥影响最大的因素，为拟制结构设计方案提供正确的依据。考虑到潜艇电子设备要在振动、冲击、腐蚀、湿热等比较恶劣的环境下工作，应将它们置于严酷度等级较高的标准下来要求。

3.2 拟制环境适应性设计方案

环境适应性设计方案是总体设计方案的重要内容之一，是后续研制工作的主要依据，设计方案的好坏决定了设备的质量水平和档次。根据确定的潜艇环境平台，从电路设计、结构设计的角度，定量或定性地阐述如何适应潜艇环境，从顶层提出所要采用的设计方案、材料、工艺以及元器件；或者提出一些能够改变环境、把环境控制在允许范围内的技术方法。

3.3 环境适应性工程设计

工程设计阶段是整个研制过程的关键环节。应充分利用各种先进的设计理念、设计方法、设计手段进行分析、计算、仿真和工程图样设计。凡是方案中涉及的问题，都必须在这一阶段逐条解决，保证设计方案得到全面实施。随着设计工作的不断深入，应根据所用技术的先进性、实用性、工艺性以及方案的可行性，实时地对设计方案进行检验、修改、补充，以使方案更加完善、合理、可行。

3.4 环境试验[3]

根据研制合同规定的项目要求进行相关环境模拟试验，验证环境适应性设计方案和工程设计的合理性、正确性，暴露和发现产品在设计、材料和器件的选用以及工艺等方面的缺陷和隐患，并通过改进设计，进一步提高产品的环境适应性能力。

4 环境适应性设计措施

潜艇电子设备环境适应性设计涉及到多方面的专业知识和技术，主要从电磁干扰防护设计、三防设计、防振动抗冲击设计、温度控制设计四个方面进行。

4.1 电磁干扰防护设计

潜艇上众多的电子、电气设备集中布置在潜艇狭小的空间内。频谱的拥挤，发射电平的增大，数据和弱信号传输量的扩大，各种金属构件的天线和非天线效应，大量成束电缆的敷设等，再加上敌方干扰以及电磁脉冲武器和高功率微波武器的使用，使得电磁干扰成为最直接、最突出的问题。电磁干扰会引起潜艇上继电保护、自动控制装置产生误动作，对潜艇监控、通信、导航和作战等关键系统的电子装备产生严重干扰[4]。因此电子设备的电磁干扰防护设计必须放在优先的地位。

电磁干扰防护设计主要遵循三个原则[5]：

（1）抑制噪声源，直接消除噪声产生的原因；

（2）切断电磁干扰传播途径，或者提高传播途径对干扰的衰减作用，以减少噪声源和受干扰设备之间的噪声耦合；

（3）加强设备抵抗电磁干扰的能力，降低其噪声敏感度。

设计的基本内容是：设备技术指标的正确确定，元器件指标的合理要求及正确选择，局部及整体电路的抗干扰控制，元器件及印刷板的布局及配线，接地技术的应用等；着重考虑切断干扰传播途径和降低系统对干扰信号的敏感性，通常采取以下几方面措施。

（1）良好的屏蔽。电磁屏蔽就是用导电率和导磁率比较好的金属材料把电子单元和设备包裹起来，并设有良好的接地线；防电磁脉冲的屏蔽材料要求有更高的导电率和导磁率。这样，电磁波和电磁脉冲就很难到达设备内部的敏感元件和电路处。

（2）滤波与吸收。滤波是抑制电磁波传导干扰和电磁脉冲“前门”耦合的重要措施。对设备内部的电源线、信号线、控制线及印制板分别采取滤波措施，来抑制它们运行时产生的电磁能量。对进出设备的所有电缆和导线采用旁路电容、滤波等措施，吸收线缆上的电磁能量并消除有害的电磁波。

（3）良好的接地。良好的地线是整个电路系统稳定工作的基础。它既可以有效解决传导干扰，又可以解决辐射干扰，良好的接地能使屏蔽、滤波措施更好地发挥作用。地线设计时，应综合考虑信号地、噪声地、电源地、屏蔽地，并分开敷设。

（4）选用多层印制电路板。大量资料和实践表明，印制板从双面板改为四层板，其电磁辐射能量显著降低。

（5）电涌防护法。对于防电磁脉冲设备来说，在设备线缆的出入口处安装电涌保护器件，可防止电涌大电流的进入。

（6）光纤应用。光纤传输最大的优点是不会产生电磁辐射，也不会产生线间干扰。但在强电磁脉冲作用下，光纤会发热，引起机械变形，直接影响到光纤的传输性能，应注意加强光纤这方面的防护措施。

4.2 三防设计

潜艇电子设备服役于恶劣的海洋气候环境，高温、高湿空气中的腐蚀性物质、盐雾和各种霉菌直接影响到设备的导电、磁导、电感、电容、电子发射和电磁屏蔽等参量的改变。因此防潮湿、防霉菌、防盐雾的三防设计是研制潜艇电子设备的重要任务。

三防设计在产品研制时即应从材料选择、结构设计和工艺技术等方面进行系统性设计，分述如下。

4.2.1 材料选择

正确、合理地选用材料是三防设计的基础。对那些可靠性要求很高、一旦发生腐蚀就会带来严重故障的重要件，在不宜采取其它防护措施的情况下，应选用高耐蚀性金属材料和不长霉菌、耐老化的非金属材料。对于非关键件可采用耐蚀性较低的材料，再结合镀涂金属层或非金属层的工艺防护措施，以提高经济性，当然还应兼顾设备的体积、质量等要求。选用材料时，应掌握材料的腐蚀机理、破坏形式以及材料的相容性问题，在同一结构中尽量选用同一种金属材料，避免采用不同类型金属接触，以防电偶腐蚀[6]。随着工程塑料、橡胶和有机玻璃等非金属材料在电子设备中的应用，应注意这些有机材料的耐老化和防霉菌问题。

4.2.2 结构设计[7]

电子设备的结构设计是否合理，对环境适应能力影响最大，因为大多数的腐蚀问题都能通过合理的结构设计来避免。

尽量避免采用点焊、铆接、螺纹紧固等结构形式，而优选钣金结构或整体浇铸机箱的结构形式，以免形成缝隙腐蚀，同时可在能形成缝隙腐蚀处加密封涂覆或加密封衬垫。

在有可能产生应力腐蚀裂开的情况下，应注意避免引起应力集中的结构形式，如各种切口、锐角和焊接缺陷等，并采取适当的工艺措施消除内应力。

易腐蚀部位结构断面厚度应尽量相近，因为断面厚度不一致时，一旦温度发生变化或在机械电气负载作用下薄弱部位发生形变，材料晶格会扭曲而产生应力腐蚀，严重时能引起电参数的变化。最容易发生腐蚀的零件可应用“弃件”可靠性设计方法，从结构上保证易于维修和更换。也可应用“腐蚀裕度”的设计思想，加厚腐蚀部位，“腐蚀裕度”一般取预期寿命的两倍。

4.2.3 工艺防护

对整机设备来说，工艺防护措施主要是表面涂覆，就是在设备及其零部件表面覆盖一层金属或非金属保护膜，使之与周围介质隔离开来，从而达到防护的目的。表面覆盖层分为金属覆盖层、非金属覆盖层和化学覆盖层。

金属覆盖层主要通过电镀、化学镀、热喷镀、热浸镀等方法获得。选择镀层时，应综合基材的特性和功能要求以及材料的相容性要求。近年来，合金电镀工艺和达克罗涂覆工艺得到了推广和应用，大量试验表明合金镀层和达克罗涂层的防腐性能很好，尤其是耐盐雾性能好。另外，通过试用和试验，还发现达克罗涂层的附着力很强，与金属、油漆涂层均有很好的结合力[8]。

非金属覆盖层包括油漆涂覆层和塑料涂覆层。油漆涂覆层应用得最普遍，具有较好的防护作用。三防用漆的种类很多，性能各异，漆种的选用应根据油漆的性能、适用范围以及产品的外形要求和实际使用环境而定。

化学覆盖层就是用化学或电化学方法使金属表面生成某种化合物而形成覆盖层(绝大部分是金属氧化膜)，以达到防腐蚀的目的。化学覆盖层既是防止自身腐蚀的措施，也是油漆涂层的良好底漆，常用的有钢铁材料的磷化和氧化，铝及铝合金的阳极氧化、化学氧化，铜及铜合金钝化、氧化，镁合金的氧化等。

4.3 防振动抗冲击设计

面对复杂多变的海洋环境，潜艇电子设备会频繁受到振动、冲击等的影响，造成设备在某一激振频率作用下发生共振而损坏，或是疲劳破坏。因此，必须要采取可靠的、有效的防振动抗冲击措施，以提高设备的耐振冲能力。

（1）加固设计。在总体布局和结构设计上采取相应措施，使设备重心下移；增强结构的强度、刚度，提高元器件承受振动、冲击的能力；强化小型化设计，选用小型化元器件和标准电子模块，采用表面贴装技术和高密度组装技术；选用导热条(板)式印制板，电路固定采用楔形锁紧装置，其锁紧力大，维修性好，接触热阻小。

（2）设计振动、冲击防护系统。根据减振缓冲原理，设计具体的隔振缓冲防护系统，以抵消外部激励对设备的影响。并借助于计算机仿真技术进行振动、冲击模态分析，以指导、验证隔振缓冲系统的设计。为了实现设备的快速维修，最好设计成模块结构。

4.4 温度控制设计

温度控制设计也是潜艇上电子设备环境适应性设计的重要内容，温度试验是设备环境试验和可靠性试验的重要项目。采取具体设计措施时，应根据热设计方案，分析设备的组装结构、布局，了解大、中功率器件以及设备各组成单元的允许温升，设备内部的热流密度以及温度场的分布情况，确定所需采用的温度控制措施，这个过程可以运用计算机仿真技术来完成。

对于中小功率设备，主要采用传导、自然对流和辐射换热等自然冷却措施，结合使用强迫风冷、机箱上开孔等温度控制措施，基本能满足设备的散热要求。目前，潜艇电子设备的功耗越来越大，体积越来越小，芯片运行速度越来越快，设备内部聚集的热量越来越多，热流密度越来越大，使得设备内部及芯片表面温度很高，甚至超过芯片允许的结温，造成芯片停止工作，设备发生故障。此时，依靠传统的温度控制措施很难保证芯片的表面温度不超标，尤其是密封型设备。可采用新的温度控制技术和措施，比如液体冷却技术，相变冷却技术，无机传热元件和热电制冷、新型冷却模块等来解决[9]。

5 结语

现代战场环境对潜艇电子设备的环境适应性要求越来越高，而电子设备环境适应性设计涉及面很广，需要解决的问题很多，设计难度也比较大，作为军用电子设备重要的性能指标和提高设备可靠性、延长使用寿命的重要保证，必须加以重视。应采用并行设计方法，将环境适应性设计纳入到总体设计当中，在设备的研制之初，就和电路、结构设计同步进行。积极吸收、采用新的设计思想、先进技术和成熟的工艺，不断提高潜艇电子设备的环境适应性设计水平。

[1] 李能鹏.潜艇环境工程管理方法探讨[J].装备环境工程, 2008, 5(3)：46-49.

[2] 祝耀昌，王丹.武器装备环境适应性要求探讨[J].航天器环境工程, 2008, 28(5)：416-422.

[3] 王奎占，沈欣，程德斌.产品在研制生产过程中的环境试验研究[J].电子产品可靠性与环境试验, 2009,27(3)：46-49.

[4] 吴团结.潜艇电力电子技术应用研究[J].舰船科学技术, 2009, 31(2)：58-62.

[5] 刘树华，包涌泉.保护装置的电磁兼容控制技术[J].船电技术, 2008, 28(1)：50-52.

[6] 侯彬.军事电子装备的三防设计[J].装备环境工程,2009, 6(5)：46-49.

[7] 谢义水.舰载电子设备的三防设计[J].机械工程学报, 2007, 43(1)：106-108.

[8] 吴勇.达克罗涂覆工艺应用探讨[c].军事电子装备“防护”技术交流会论文集.北京：中国机械制造工艺协会电子分会, 2006：116-123.

[9] 王忆秦.舰船电子设备冷却系统研究[J].舰船科学技术, 2007, 29(5)：85-87.