弹载设备结构电气一体化设计与验证

史若冲，杨春雷，常新月，张 涛，王志红

0 引 言

近年来随着电子技术、信息技术、网络技术等飞速发展，战术导弹呈现智能化、网络化、低成本化的发展趋势。战术导弹电气系统逐渐由单一的制导控制载体，演变成具备攻防对抗、目标规划、产品全寿命信息等多功能的综合平台。

传统的战术导弹电气系统由多个承担不同功能的分立式单机组成，单机间依靠电缆网实现通信。随着战术导弹功能需求的增加，只能依靠增加电气设备的数量，电气系统扩展能力差，且狭小的舱体制约了单机的尺寸、重量和散热性能，差异性外形接口与复杂电缆网增加了导弹总体设计的难度，传统的设计思路难以适应战术导弹发展的需求。

结构电气一体化技术作为一种建立在系统总体技术、电子技术、机械技术、自动控制技术、载荷环境技术、信息处理技术、传感与测试技术、可靠性技术等现代高新技术群体基础上的系统性综合技术，突出强调各项技术的相互渗透和有机融合，实现整个系统在功能、重量、耗能、可靠性等方面的最优[1,2]。通用性设计是为了最大限度地扩大产品的使用范围[3,4]，开放性设计是为了满足产品升级换代的需求。因此，开展战术导弹通用开放式结构电气一体化设计，是实现战术导弹向集成化、低成本化发展的一项最基本且十分关键的技术。

1 通用结构电气一体化设计方案

本文提出的电气系统是一个通用化开放式架构平台，该平台以通用电气功能模块为基本组成单元，具有良好的集成性和可扩展性。系统采用模块化设计思路，对传统弹上电气系统进行功能分析和分解，按照系统最优原则进行功能再分配，形成由统一电气接口和机械接口组成的多个通用电气模块，在背板上通过以太网协议实时高速通信实现各项功能。结构电气一体化设计主要从弹上电气系统通用化设计、舱体高填装结构一体化设计、集成化电气系统热控设计以及一体化减振及整体电磁屏蔽设计等4个方面开展。

1.1 弹上电气系统通用化设计

弹上电气系统通用化设计包括：通用化机械接口设计、模块结构防插错设计、模块快速起拔设计、通用化电气接口设计，如图1所示。

图1 通用化设计Fig.1 A Universal Design for the Electronic Module

a）通用化机械接口设计：统一通用电气模块与机箱装配尺寸，形成规范化的标准模块，根据电气功能需求实现功能模块的模块化快速组合，形成了“功能定制”与“模块通用”的高效电气组合机制。非配合面尺寸要求具有足够的配合间隙，配合面采用楔形锁紧连接形式，使得配合尺寸在一定尺寸范围内具有可调节性，确保设计具有良好的通用性。

b）模块结构防插错设计：为了避免模块的误插拔，在模块两侧分别布置导向销，导向销上设置特定缺口配合结构，可调整缺口角度达到结构配合，实现导向和防插错功能融合的一体化设计。

c）模块快速起拔设计：起拔装置采用杠杆原理减轻实际操作力，起拔力作用在模块中心面，保证了起拔过程中连接器正常分离，起拔装置提高了模块的操作性能。

无论英语，还是汉语，都拥有数量庞大的人体词。人体词，也叫人体部位词，是我们最为熟悉的词类之一，英语中的人体词有“face”“eye”“nose”“mouth”“ear”“heart”“foot”等，对应地，汉语中也有“面”“耳”“鼻”“口”“耳”“心”“足”等。在实际应用中，人体词除了具有指示人体各部位的基本含义之外，往往还具有多义的特征。多项词义的构建使得原本意义和所指单一的身体词具有了更广泛的延伸意义。

d）通用化电气接口设计：统一规范了电气接插件规格，对接口分区管理，A区为模块主电源、模块物理地址接口、系统管理、系统复位等，B区为单端和差分信号、参考时钟信号等，C区为自定义接口，可按需求设计差分对接口或单端信号口。

集成电气系统通用化设计是航空航天电气系统设计的重要方向[5]，保障了通用电气模块在多型号中的通用互换，是实现弹载设备开放式架构的基础。通用化电气系统有利于模块的快速更换、升级维修以及新模块接入，实现了导弹武器的低成本设计、快速批产能力以及维修保障性能。

1.2 舱体高填装结构一体化设计

舱体高填装结构一体化设计如图2所示。

图2 高填装布局设计Fig.2 The Layout Design of High Filled

a）通用单元的拼装式结构设计：为了提高背板电路的可设计性、载荷/热环境的一致性，在保证结构强度和模块隔离基础上，规定以 4个通用连接槽为一个通用单元，通用单元的数量根据不同类型导弹电气系统的实际需求选择，多余槽位经适当分配可作为扩展功能留存。

b）与内腔随形的设备外形设计：对通用单元进行合理的组装拼接，合理布局对外接插件的空间位置，使得设备外形轮廓与舱体内轮廓相匹配，实现对导弹舱体空间的充分利用。

c）快速拆装的整体支架设计：模块组合通过一体式支架转接至舱壁上，支架上各功能单元在舱外实现装配，避免了舱体狭小空间操作困难的问题，支架与舱壁通过多点固定的连接形式，受内腔异性面影响小，连接可实现快速拆卸功能，提高电气系统的维修性。

导弹高填装设备结构一体化设计技术，从系统总体角度，提高了空间利用率、设计通用性、使用便捷性、环境可靠性，实现了电气系统多性能整体提升。

1.3 集成化电气系统热控设计

a）模块级热控设计：目标是将发热元件产生的热量快速传导至模块外部，可通过优化发热元件空间布局、增加传导路径、降低传导热阻等方式实现。模块级的热传递通道包含：冷板传热通道、PCB板传热通道和自然辐射通道。

b）单元级热控设计：目标是将内部传递出来的热量快速散发或吸收，可通过增大单元辐射面积和辐射系数或使用风冷技术提高单元对外散热能力。单元级的热传递通道包含自然辐射通道和肋片风冷通道。

集成化电气系统热控设计是一门涉及热、结构、电气、材料等多学科融合的新技术，通过对整个电气系统进行统一热控管理，建立不同电子功耗对应的热控货架选型方案，实现低功耗、小质量、低成本的热控设计。

图3 系统热控设计Fig.3 The Thermal Design and Control of System

1.4 一体化减振及整体电磁屏蔽设计

a）一体式减振设计：对模块组合进行一体式减振设计，在支架与舱壁连接处采用橡胶减振器进行隔振处理，为弹上电气系统提供一个良好的力学环境。减振器采用硅橡胶材料，具有良好的耐高温性能，该材料在-20～160 ℃范围内具有良好一致性。通过调整硅橡胶材料配比和结构尺寸可设计出需要的谐振频率。

b）整体电磁屏蔽设计：模块组合壳体采用具有高导电率的铝合金材料，模块组合上下口盖采用贴有导电橡胶的铝板进行整体密封，铝板安装螺钉排列紧密，口盖搭接性良好，组合结构外壳电介质连续，实现了整个系统的电磁屏蔽。

2 通用结构电气设备性能试验验证

2.1 热稳定性验证试验

弹载设备在室温下重复运行飞行程序，获得的温升曲线如图4所示。由图4可以得出，该设备重复进行 6次飞行程序（受软件初始化限制，每次飞行程序结束后需断电，系统10 s内再次通电）的电气模块最高温度的变化情况，通用电气模块内部最高温度满足不大于85 ℃的标准设计值，试验验证了该热控方法设计的正确性。

图4 温升曲线Fig.4 The Temperature Rise Curve of the Electronic Module

2.2 系统振动试验

弹载设备在电动振动试验系统（滑台）上按照导弹飞行验收功率谱密度条件开展试验，试验结果见表1和图5，其中放大倍数是每个频率点设备减振后输出加速度幅值与减振前输入加速度幅值的比值，系统减振效率为 η = ( G rms输入− Grms设备) Grms设备，其中：Grms输入为试验工装上减振前的均方根值，Grms设备为弹载设备上经减振器减振后的平均响应均方根值。一体化减振设计使得 X、Y、Z方向的减振效率分别达到了 49.3%、75.5%和51.9%，200～2000 Hz频带范围的振动被明显衰减，减振效果明显。一体化减振器的设计使得一体式组合结构的一阶和二阶频率避开了导弹壳体上的谐振频率点，避免了频率强耦合情况发生，为电气模块提供了良好的环境条件。

表1 整体减振性能Tab.1 The Performance of Integrated Vibration Absorption

图5 三方向减振器动态特性Fig.5 The Dynamic Characteristics of the Shock Absorber in Three Ways

2.3 电磁兼容试验

根据GJB 151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》的要求，弹载设备需经过辐射场干扰考核，辐射场强参考“陆军空间”极限值电平（20 V/m）施加，干扰注入频段为10 kHz～18 GHz。试验过程中辐射发射天线正对弹载设备，试验配置见图6，设备加电同步运行飞行程序。结果显示，电气系统健康状态监控正常，设备电磁屏蔽性设计良好。

图6 RS103试验配置Fig.6 The Set-up of an RS103 Experiment

3 结束语

本文从通用化、空间布局、热/力/电磁环境等方面进行了结构电气一体化设计，并通过性能试验验证了设计方案的正确性。弹载设备采用结构电气一体化设计方法，具有结构重量轻、体积小、零部组件少、集成化程度高、扩展能力好、复杂环境适应性强等优点，解决了传统弹载设备定制性强、通用化程度低、系统集成优化度弱和扩展性差等问题，能够满足战术导弹对低成本、集成化和智能化的发展需求。