舰载机电子设备抗恶劣环境设计典型问题分析

陈陶菲，王长武，陈腾飞

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

舰载机电子设备抗恶劣环境设计典型问题分析

陈陶菲，王长武，陈腾飞

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

文中对潮湿、盐雾及低气压等恶劣气候环境的形成机理及其对舰载机电子设备造成的严重后果进行了分析。介绍了舰载机电子设备抗恶劣环境设计几种典型问题的解决方法，包括防潮湿、防盐雾、抗低气压及密封隔离方法，重点对防潮湿和抗低气压的设计方案进行了介绍。抗恶劣环境设计是跨学科技术，需要多学科技术进行系统综合设计。

舰载机；抗恶劣环境；防潮湿；防盐雾；抗低气压

引 言

舰载机电子设备由于平台特殊，环境适应性相对于陆基载机电子设备更加严酷，不仅要适应载机常规环境条件，还要适应海上恶劣气候环境。舰载机相对特殊的气候环境条件主要包括高湿、高盐雾及霉菌等方面。恶劣环境引起的腐蚀直接影响载机的安全和可靠性。文献[1-2]中介绍了舰载机的特殊环境、试验方法及设计准则，文献[3-4]对具体舰载机的具体防护方法进行了介绍。本文介绍了舰载机电子设备研制中遇到的典型问题和解决方法。抗恶劣环境适应性各方面相互影响，不能单独研究，要有针对性、有目标、系统地进行研究。舰载机电子设备抗恶劣环境设计任重道远，需要长期摸索，从系统的角度对电子设备进行权衡设计。

1 舰载机电子设备环境条件分类及分析

1.1 舰载机电子设备环境条件分类

舰载机电子设备抗恶劣环境设计应该包括设备全寿命过程，主要有试验、运输、使用及贮存几个阶段。

气候环境包括潮湿、盐雾、霉菌、高低温、低气压、沙尘等。

1.2 舰载机电子设备环境条件分析

根据以上环境条件分类，对环境条件的相关因素进行分析。

气候环境条件产生来源包括：湿度达到一定限度时会使金属腐蚀急剧加快，一般铁的临界腐蚀湿度为70%，锌为65%，铝为60%～65%；舰载机面临更为特殊的酸性盐雾，动力装置排放的废气与高盐雾海洋大气形成的富含污染物的酸性盐雾对材料和设备的腐蚀具有加速性，导致寿命降低；载机飞行高度和飞行环境决定了温度的极限和温度冲击速率，海面环境湿度高，元器件吸潮会使介电常数变化；高空的低气压会使空气介电常数减小，气密设备中的应力增大，在海拔5 000 m处，设备换热量会比海平面下降21%，对流散热传递的热量也将下降21%。

2 舰载机电子设备抗恶劣环境典型方法

经过以上环境条件分析，下面对舰载机电子设备抗恶劣气候环境设计中的防潮湿、防盐雾、抗低气压及结构防护的几种典型方法进行介绍。

2.1 防潮湿设计

2.1.1 防潮湿设计常规方法

防潮湿设计常规方法包括：

a)采用防水、防霉、防锈蚀的材料；

b)采用保护涂层防锈蚀；

c)为非气密电子设备提供排水、疏流系统或空气循环系统，消除湿气聚积物；

d)对气密电子设备采用干燥装置降低湿度；

e)进行憎水处理以降低产品的吸水性或改变其亲水性能；

f)对元器件进行密封、灌封、镶嵌、气体填充或液体填充，暴露的接触面应避免不同金属的接触。

设计时可以采用单项或几项综合的措施来防止潮湿的影响。

2.1.2 防潮湿设计典型方法

目前，部分舰载机可以提供干燥气体，可实现电子设备的干燥除湿；无干燥气源的舰载机只能通过其他方式进行除湿环控。下面介绍无干燥气源时的除湿方法。

舰载机电子设备小环境除湿原理主要是利用半导体制冷将设备内部空气湿度降低，维持腔体干燥。半导体制冷具有以下特点：(1)无需任何制冷剂，可连续工作，工作时无震动、噪声，使用寿命长；(2)可实现高精度的温度控制；(3)制冷片热惯性非常小，制冷制热很快。除湿设备工作原理如图1所示。

图1 除湿设备工作原理

舰载机电子设备小环境除湿设计与其他载体电子设备不同，需考虑舰载机的飞行包线，提取飞机环境数据(包括温度、压力、湿度)变化规律。根据载机环境参数变化规律找出需要满足的最严酷的工况，再进行设计指标的确定，同时要兼顾电子设备密封设计水平，依据设备密封腔体的泄漏率再进行除湿设备的设计选型，设计流程如图2所示。

图2 电子设备除湿设计流程

经分析，在整个飞行过程的降落阶段，高温高湿气体将渗入设备腔体内，此时设备内的除湿量最大。如果此时的除湿性能可以实现，则其他飞行包线的除湿均可满足，此时单元内部湿度要求控制在60%以下。

除湿设备风量和风压的确定主要由以下参数决定：(1)电子设备腔体空间尺寸；(2)电子设备密封泄漏率；(3)除湿速率。风量和风压必须保证流场覆盖整个电子设备腔体空间(如图3所示，整个区域内都有气流)，无除湿死角。

图3 电子设备内部流场分布

图4为某除湿产品的流场分布。这里特别关注冷凝区域的气流情况，避免冷凝区域成为静压区。如果冷凝区没有气体流动，除湿性能失效。

图4 某除湿产品的流场分布

电子设备密封泄漏率高，除湿量大。在10 min内，需将60 ℃、98%RH(相对湿度)的气体降低到60%RH，通气除湿速率可以通过以下公式计算得到：

ρv(h1-h2)=ΔPt

式中：ρ为空气密度；v为密闭空间空气容积；h1为初状态的焓值；h2为末状态的焓值；ΔP为制冷量与功耗的差值。

电子设备最恶劣环境的模拟方法：试验箱内气压为1个标准大气压，温度60 ℃，湿度98%RH，电子设备腔体抽真空，绝对压力接近0 Pa，除湿设备对密封的电子设备进行除湿，设备腔体内湿度可控制在60%RH以下。这表明电子设备除湿功能满足载机飞行包线内所有工况。

2.2 防盐雾设计

2.2.1 防盐雾表面处理方法要点

防盐雾腐蚀设计方面包括材料表面防护，方法要点：

a)零件表面的强化、硬化措施及各种镀层、涂层；

b)不同金属具有不同电位，会产生电位差腐蚀，需进行不同金属的防护处理；

c)工艺选择方面包括不同热处理制度、不同加工方法。

2.2.2 防盐雾结构设计方法

防盐雾结构设计方法包括：

a)缝隙控制：包括金属与金属之间、金属与非金属之间的缝隙，最敏感的缝宽为0.025～0.1 mm；

b)材料选择：不同材料及其成分、含量、相、晶粒大小、缺陷、杂质等；

c)非密封腔的排水设计：避免凹坑、集水槽，保证足够的排水孔和排水间隙；

d)结构可达性：便于检查和修理是耐久性/损伤容限设计的必要前提；

e)避免沟槽、内腔：防止形成应力集中、腐蚀集中；

f)应力和变形：避免高应力、高磨损(如连接件、紧固孔)和大变形(产生凹坑、缝隙)；

g)密封：填角密封、接合面密封、注射密封、沟槽密封；

h)缓蚀剂的应用：结构装配后的最后一道工序。

舰载机电子设备最常用材料为铝合金，铝合金与其他材料接触时建议进行以下防护，见表1。

表1 铝合金与其他材料零件接触的常用防护措施

2.3 抗低气压

舰载机电子设备的抗低气压设计主要考虑以下几个方面：

a)利用真空的绝缘强度。根据巴申曲线，当气压很低，接近真空时，击穿电压迅速提高。因此，采用高真空可显著提高间隙的击穿电压。

b)对机械密封进行应力分析，保证壳体刚度，保证高功率旋转铰链、环流器的密封性。对动密封在结构设计和密封件选择上的要求更为严格。

c)采用压缩气体。低气压下空气的耐电强度较低，如果提高气压，分子密度增大，电子平均自由行程缩短，可使空气间隙的击穿电压大大提高。

采用压缩气体的缺点是提高了对设备容器的机械强度及密封等方面的要求，从而增加了制造成本。高功率传输设备为了提高耐功率容量一般都会进行充气，在进行电性能计算的同时还要进行结构耐压仿真分析和设计优化。

在某型号机载设备中应用增压单元，自带高压气瓶、泄压阀及安全阀，为电子设备提供持续、稳定的气压。同时增压单元带有低压传感器，在电子设备内气体压力低于设定值时，输出电信号报警，保证电子设备状态的持续监测。增压单元工作原理如图5所示。

图5 增压单元工作原理

2.4 电子设备密封结构设计

电子设备抗恶劣环境设计在某些场合可以采用设备密封隔离的方法进行防护。电子设备密封设计能有效阻止湿气、水分及其他腐蚀介质进入、聚集。

电子设备的密封应根据可能遭遇的腐蚀环境，选用密封效果最佳的密封材料和密封类型，同时与表面防护、结构细节及电磁兼容一起进行综合设计。

密封结构设计的常规要求包括：

a)正确定位密封面和密封部位，使密封缝在载荷下引起的相对变形量较小，或使变形有利于结构密封；

b)被密封零件应有相近的刚度，把破坏密封的挠曲降低到最小；

c)将结构需要密封的零件数降低到最少，减少泄漏通路；

d)结构密封区域应具有良好的可达性、可见性，以便实施密封、检查和维修；

e)密封结构间隙或间隔尺寸恰当，保证密封材料涂施面积，使密封材料粘接可靠；

f)应有适合的边缘条件，避免将齐平或凹陷的边缘留作密封；

g)在满足密封要求的情况下，尽量缩短密封长度，减少密封材料用量；

h)外部所有裂缝和前缘到外表面的接触面都应填充密封剂或密封。

典型紧固件填角密封型面如图6所示，其中e=1～2 mm，f=2～3 mm。

图6 典型紧固件填角密封型面

现阶段，电子设备密封隔离还可以采用壳体和密封盖板进行封装隔离。盖板内嵌密封圈或密封衬垫，密封衬垫可选用含银的导电衬垫，保证电磁屏蔽。盖板密封螺钉的间距与盖板的刚度和密封衬垫的压缩力相关，可通过壳体仿真保证设备气密性。

电连接器可选用气密电连接器。外接可拆卸电缆可通过Roxtec公司的产品进行过孔密封，气密性能优异，同时可反复拆装，保证维护性，但在装配工艺上需严格规范工艺流程。

3 结束语

舰载机平台的恶劣气候环境条件对载机不同部位的电子设备影响程度不同，在电子设备设计中应首先考虑所在环境和防护需求，再进行防护方法的选择。

对载机内部的设备除了考虑三防措施，还要考虑温度、压力变化引起“呼吸效应”加剧腐蚀的情况。对气密设备，可采用制冷除湿、充干燥气体除湿或抽真空的方法进行防护；对无法做到气密的设备，需考虑及时排除冷凝水，避免积水造成的腐蚀加剧。对载机外部的设备主要考虑设备内腔的防水密封和设备外露结构排水、消除缝隙结构等设计，同时外露设备防护涂层还要考虑雨蚀、海水和太阳辐射等。

电子设备抗恶劣环境设计是一个跨学科的综合性设计技术，贯穿于电子设备设计、生产、使用和维护的全寿命周期。舰载机电子设备抗恶劣环境设计需进行全三维设计，多学科耦合仿真、分析优化设计，并制定完整合理的维护制度，以此保证产品在全寿命周期内的性能。

[1] 史为民, 李明, 常海娟. 舰载机环境分析及环境试验技术探讨[J]. 航空标准化与质量, 2014(2): 29-32.

[2] 李星, 王晓慧. 舰载机三防设计技术研究综述[J]. 装备环境工程, 2006(4): 12-15.

[3] 刘宇, 李文海, 刘洋, 等. 高温高湿高盐环境下舰载直升机防腐蚀方法分析[J]. 价值工程, 2012, 31(1): 312, 313.

[4] 王素华, 王秀霞, 樊庆和. 舰载直升机的腐蚀与防护[J]. 海军航空工程学院学报, 2004, 19(3): 343-345.

陈陶菲(1977-)，女，高级工程师，主要从事雷达结构总体研究工作。

Analysis on Typical Problems of Anti-adverse Environment Design forShip-borne Aircraft Electronic Equipment

CHEN Tao-fei，WANG Chang-wu，CHEN Teng-fei

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

This paper analyzes the formation mechanism of adverse climate environment such as moisture, salt fog and low pressure, and its severe effects on ship-borne aircraft electronic equipment. Solutions of several typical problems about the anti-adverse environment design of the electronic equipment are introduced, the problems include moisture proofing, salt fog proofing, anti-low pressure and sealing technology. The design schemes of moisture proofing and anti-low pressure are discussed mainly. Anti-adverse environment design is an interdisciplinary technology, needs multidisciplinary techniques to conduct systematic design.

ship-borne aircraft; anti-adverse environment; moisture proofing; salt fog proofing; anti-low pressure

2016-09-06

V271.4+92

A

1008-5300(2017)03-0025-04