航空电子仪表环境适应性设计

张爱丽

（北京青云航空仪表有限公司 北京 100086）

航空电子仪表面临复杂多变的战场环境，各种自然环境和战场环境的综合作用会使产品的材料受到腐蚀或破坏、电子器件失效，从而影响航空电子仪表的作战效能。据统计，环境因素诱发的故障占机载电子设备故障总数的52．7%[1]，可见提高设备的环境适应性可大大提高产品的质量特性。

1 环境适应性

GJB4239《装备环境工程通用要求》中对装备环境适应性的定义是“装备在其寿命周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、性能和（或）不被破坏的能力，是装备的重要质量特性之一”[2]。环境适应性是装备在寿命期内贮存、运输和工作状态下受极端环境作用而不被破坏和能正常工作的能力，以装备是否失效或有故障作判据[3]，基本上用适用和不适用作定性判据，如果装备环境适应性不合格，意味着该装备不能投入使用，可见环境适应性对航空电子仪表的作战效能影响十分严重。

2 环境分类

航空电子仪表所经受的环境条件主要分为两种：自然环境、机械环境和电磁环境。从统计数据可以看出，对航空电子仪表适应性影响比较显著的自然环境主要是如下几种[4]：低气压环境、高温环境、低温环境、温度冲击环境、湿热环境、霉菌环境、盐雾环境。对航空电子仪表适应性影响比较显著的机械环境主要是如下几种：振动环境、冲击环境、加速度环境。对航空电子仪表适应性影响显著的电磁环境问题包括两类，第1类是指电子电路、设备在工作时由于相互干扰或受到外界的干扰使其达不到预期的技术指标；第2类是设备虽然没有受到电磁干扰，但不能通过国家的电磁兼容性指标。

3 环境因素对设备的影响机理

3.1 低气压（高度）环境

低气压环境对设备的影响及导致的结果如下：

1）空气抗电强度降低：绝缘击穿，高压点的飞弧、电晕现象增加，可能产生臭氧和产生排气作用，电气设备工作不稳定；

2）空气介电常数减小，气密设备中的应力增大：元器件电参数发生变化，密封设备箱体变形，焊接开裂。结构损坏、泄漏；

3）散热困难：设备温度升高；4）冷焊：机械动作困难。

3.2 高温环境

高温环境对设备的影响及导致的结果如下：

1）导致材料软化：结构强度减弱，绝缘质变软失效；

2）化学分解和老化：涂覆表面起泡、低熔点焊锡缝开裂，元件损坏、着火、焊点脱开；

3）设备过热：活动部件卡死，坚固装置松动，由于物理膨胀使结构强度降低，塑料、橡胶裂纹和膨胀；

4）金属氧化加速：接点接触电阻增大，金属材料表面电阻增大，电感、电容、电功率系数、介电常数等参数变化；

5）润滑油粘度下降：丧失润滑性。

3.3 低温环境

低温环境对设备的影响导致的结果如下：

1）材料变脆：结构强度减弱，电缆损坏，蜡变硬，塑料、橡胶失去柔性变脆、发裂；

2）结冰现象：电气机械功能变化；

3）物理收缩不同：活动部分被卡住，触点接触不良，衬垫、密封垫失去弹性，引起泄漏，涂覆表面龟裂；

4）元件性能变化：铝电解电容器损坏，石英晶体不振荡，蓄电池容量降低，继电器接点烧结。

3.4 湿热环境

湿热环境对设备的影响及导致的结果如下：

1）水蒸气沉积：物理性能下降，绝缘电阻降低，介电常数增大；

2）吸收水分：某些塑料零件隆起和变形，绝缘性下降，结构强度下降，湿气渗入多孔材料内，造成导电体间漏电、短路；

3）金属腐蚀：增大绝缘体的导电性，活动部分卡住，表面电阻增大。

3.5 霉菌环境

1）霉菌吞噬和繁殖：有机材料强度降低、损坏，活动部分受阻塞；

2）吸附水分，分泌腐蚀液体：导致其它形式的腐蚀。

3.6 盐雾环境

1）金属腐蚀：增大磨损，机械强度下降；

2）化学反应：盐和水结合使材料导电，绝缘电阻降低，金属化学腐蚀加速；

3）电解：金属电蚀。

3.7 振 动

1）机械应力疲劳：材料和结构龟裂、移位或振动，元器件管脚、引线、导线折断；

2）电路中产生噪声：连接器、继电器、开关的瞬间断电、电子插件性能下降。粘层、键合点脱开，电路瞬间短路、短路。

3.8 冲 击

机械应力：造成畸变，结构失效，应力超过组件许用工作应力时，元件合构件断裂或折断，电子设备瞬间短路，松动或散架。

3.9 加速度

1）机械应力：结构变形和破坏；2）液压增加：漏液。

3.10 电 磁

1）设备受到外界干扰达不到预期的指标[5]；2）不能通过国家的电磁兼容标准。

4 产品耐环境设计

耐环境设计应从以下几个方面着手：1）采取改善环境或减缓环境影响的措施；2）选用耐环境能力强的结构、材料、元器件和工艺等；3）如果性能确定不能满足设备可靠性要求，或处于临界状态，有必要采取一些有效措施，如降额、贮备等。

安装在驾驶舱内的航空电子仪表，在产品设计初期就需要对其进行耐环境性设计考虑，为了使设备达到可靠性要求，需要针对设备的工作环境进行防护技术设计，提高设备本身的耐环境能力，保证设备执行其功能的有效性。

4.1 高温环境适应性设计

根据高温环境对设备的影响机理，在航空电子仪表品的设计过程中，主要考虑的设计内容如下：

1）保证产品环境具有良好的冷却功能，机箱要具有良好的通风性；产品中发热量较大的元器件要做散热处理，必要时加装散热片、风扇；

2）热设计应满足产品的可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中长期正常工作，对于发热元件，如电源模块、大功率电路、CPU等应采取功率降额、壳温降额或工作频率降额等方法，保证长期在连续高温工作条件下，壳表面温度不高于85℃；原则上设计时应选用允许工作壳温不低于125℃的元器件；

3）要求选择军温电子元器件保证其在高、低温环境下的正常工作。每个电子元器件的参数选择和安装位置及方式必须符合散热要求；

4）高温环境对可靠性影响较大的元器件，如钽电解电容应按额定电压65%以下降额使用；

5）选用耐高温材料，加强工艺中的耐高温处理。

4.2 低温环境适应性设计

低温环境中，航空电子仪表品的设计[6]内容如下：

1）对选择不到耐低温工作的材料或元器件应采用加热控制，保证产品可在低温环境下工作。

2）仔细选择材料，使其具备令人满意的各种低温特性；

3）在选择滤波电容器和保持电容器时，电容量应留有余量，保证低温工作条件下的功能和性能满足要求，禁止选用铝电解电容器；

4）润滑剂要求选用低温特性良好的产品。

4.3 湿热环境适应性设计

湿热环境中，航空电子仪表品的设计内容如下：

1）采用成熟的或经过同等湿热试验条件验证的保护涂层；2）选用防水、防霉和防锈蚀的材料；

3）对显示窗需要加装保护膜或保护玻璃来密封，防止结雾。

4.4 霉菌环境适应性设计

霉菌环境中，航空电子仪表品的设计内容如下：

1）选择不长霉的材料；

2）采用防霉处理零件和设备，表面涂覆采用工厂成熟的工艺。

4.5 盐雾环境适应性设计

盐雾环境中，航空电子仪表品的设计内容如下：1）尽量采用非金属材料，优先选用耐盐雾材料；2）元器件采用相应的防护措施，要求涂三防漆。

4.6 低气压环境适应性设计

低气压环境中，航空电子仪表品的设计内容如下：

1）应选择气密封的电子元器件；

2）按键开关应有足够的工作行程和预紧力，确保座舱压力快速变化时，按键不产生误动作。

4.7 机械环境适应性设计

振动、冲击、加速度等各种机械力环境可称为力学环境。在力学环境的设计方面要遵循如下原则：

1）控制振源，减小振动，尽量减小和消除不平衡力或力矩；

2）隔离振源，改善工作环境，必要时加装减震支架；

3）对于单件重量超过2 g的电子元器件不能仅靠管脚安装固定，应有其它加固措施。对于总量大于20 g的电子元器件均不能只依靠管脚安装固定，应采取其它加固措施。对于易损件的加固措施应便于维修更换。

4.8 耐电磁环境设计

对产品进行了耐电磁环境防护设计[6]考虑，主要设计实现了如下几方面的工作：

1）滤波和防护器件的选型；电源输入接口滤波器需要根据产品功率来选择型号；根据防雷要求选择器件型号；

2）关键电路设计控制；检查晶振、芯片、时钟驱动电路的滤波电路；

3）在PCB布局设计时要做：PCB电路板的层叠结构设计、电源和地平面的分割处理、重要器件布局、滤波电容的布局、防护器件的放置位置；

4）在PCB布线时要做：晶振时钟布线的处理、关键电路布线控制、接口电路布线控制；

5）采用多层板技术，将平板电源、平板地与信号层之间进行有效分隔，提高抗干扰能力；

6）采用带有滤波和屏蔽尾附的航空插头，有效抑制传导干扰；

7）机箱上的调试插座在不使用时用金属盖密封，防止电磁泄露。

5 结束语

降低环境因素影响，提高航空电子仪表的环境适应性，保证其质量，是一项艰巨而重要的战略任务。航空电子仪表的环境适应性主要机取决于其选用的材料、构造、元器件耐环境的能力和其结构设计、工艺设计时采取的耐环境措施是否完整和有效，一旦装备设计完成，其耐环境能力也就基本固定。因此环境适应性设计要与产品性能设计、电路设计、结构设计、工艺设计同时考虑，贯彻预防为主、早期投入的原则，可达到事半功倍的效果。

[1]美国国防部可靠性分析中心．产品可靠性蓝皮书[S]．2001．

[2]中国人民解放军总装部GJB4239．装备环境工程通用要求[S]．2001．

[3]祝耀昌，常文君，傅耘．武器装备环境适应性与环境工程[J]．装备环境工程，2005，2（1）：14-19．

ZHU Yao-chang，CHANG Wen-jun，FU Yun．Environmental suitability and engineering in military equipment[J]．Equipment Environmental Engineering，2005，2（1）：14-19．

[4]姜广顺，杨召甫．武器装备中电子插件板的环境适应性设计研究[J]．电子产品可靠性与环境试验，2010，28（3）：14-19．

JIANG Guang-shun，YANG Zhao-fu． Discussion on environmental suitability design of the electronic plgy-in board in military equipmemt[J]．Electronic Product Reliabilty and Environmental Testing，2010，28（3）：14-19．

[5]潘建．浅谈电子产品的可靠性设计[J]．电子设计工程，

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PAN Jian．A brief discussion of reliability design of electronic products[J]．Electronic Design Engneer，2001（7）：9-11．

[6]白同云，吕晓德．电磁兼容设计[M]．北京：北京邮电大学出版社，2004．