机载电子设备结构“五化”设计浅析

张丰华　田沣　李雪龙　李向东

摘 要：机载电子设备性能不断提升，对电子设备结构设计要求也相应提高。文章通过介绍机载电子设备发展趋势，提出对电子设备结构设计的需求。机载电子结构设计专业应该按照数字化、综合化、模块化、通用化和智能化趋势进行分析，提出相应专业研究内容，为后续发展做好技术储备。

关键词：机载电子设备;结构设计;五化

1 绪论

机载电子设备泛指在飞行器上安装应用的各类电子设备。机载电子设备系统发展过程中，相当长一段时间主要重视性能，而可靠性和可维护性则处于次要的地位，随着机载电子系统日益复杂，维护时间不断延长，维修费用不断增长，可靠性和可维护性已上升到与性能处于同等重要的地位。解决这些问题的唯一途径就是采用综合化技术，基础技术的迅猛发展，为实现先进的机载电子综合化提供了可能[1]。

2 机载电子设备结构设计需求

电子设备结构设计包含广泛的技术内容，逐渐成为一门交叉边缘学科，其范围涉及力学、机械学、材料学、热学、电学、化学、光学、声学、工程心理学、美学、环境科学等。[2]

机载电子设备结构设计技术发展，取决于机载电子设备系统技术需求。机载电子设备结构设计主要针对飞行器特殊应用环境、面对各种封装形式元器件进行设计，包括热管理、强度及轻量化、电磁屏蔽、防护性设计以及人因设计等方面。

3 机载电子结构设计“五化”分析

机载电子设备向着数字化、综合化、模块化、通用化和智能化的方向发展，电子设备结构设计也是围绕着上述几个方向发展。

3.1 机载电子结构设计的数字化

数字化在机载电子设备整机可以理解为数字电路替代模拟电路，也可理解为利用数字仿真技术的基于模型的正向设计技术，结构设计主要是后者。

机载电子结构设计以散热设计为例，机载电子设备性能越来越高、组装密度越来越高，元器件采用低功耗技术，设备采取降额设计[3]，但机载电子体积重量也随之减小，热流密度并没有降低，反而在不断提升。电子设备散热方式包括自然散热、强迫风冷和液冷等，更高效的散热方式系统负担（所需资源）会更多，导致系统设计难度按比例增大。因此在满足系统需求基础上采用更为高效散热方式是设计人员的首选。目前电子设备的热设计，几乎都处于散热能力的边界，以往通过类比、根据经验进行设计的方式很难做出选择，必须通过可量化的数据准确仿真计算，才能最终确定设计方案。机载电子设计结构设计早已不仅是简单的机械设计，而是包含详细特征的全数字样机设计。

3.2 机载电子结构设计的综合化

综合化不是各个航空电子分系统的有机组合，而是将整个航空电子设备作为一个飞机的子系统进行设计和工作，构成一种结构和功能综合的航空电子综合系统结构。

综合化对结构带来的挑战主要是整机功耗增加，局部热流密度更高。模块集中在一起，机架的尺寸及重量也相应增加，传力路线更加复杂，模态变化对元器件的影响也更加复杂。

综合化机架设计与普通电子设备有区别。以模块升级更换为例：很多功能模块集中在一个机架中，由于模块需要升级和维护拆装，模块自身拆卸机构寿命应与电连接器的寿命相同，如果采用封闭式机架，则外部密封机构的拆卸寿命应等于所有内部模块寿命之和。

3.3 机载电子结构设计的模块化

模块化是目前工程设计人员较为认同的一种设计方式，模块化至少包括三个层级。第一层是机架通过简单方式与安装平台连接在一起，机架与以往的可替换单元形式一致，可视为是单独的模块，具有背板和IO。第二层综合化模块是一种独立功能模块，模块通过机械快卸方式连接实现安装连接，通过连接器实现电气连接。第三层是模块内部，机架内部也采用模块化思维进行设计，采用几种通用功能模块堆叠进行组装，实现不同的功能组合，模块化的设计能保证产品可維修性和可保障性，但是模块化的方式也有弊端，比如基本模块都是货架化产品，其功能一般覆盖较全，冗余较多，而且模块组装层级多，电连接器等连接方式增多，安装复杂度提高，空间占用大，电气传输信号受影响，产品MTBF指标会降低，一般模块内部的连接不建议超过三级。

3.4 机载电子结构设计的通用化

通用化的基础是标准化，只有遵循一定标准系列才能可能形成通用化的产品。制定模块标准的目的就是为了提高航空电子设备的通用性。

电子设备结构设计通用化指在结构设计中采用通用化技术。以某标准模块结构设计为例，可将其中通用的结构件抽取出来，形成通用件，甚至将采用某种标准体系的模块结构件设计成半成品批量生产，只根据最终的元器件布局形成对散热以及加固进行优化排列，提高生产效率，减少产品品种。模块通用化设计减轻了结构设计工作量，提高了产品的竞争力。结构通用化设计要注意优先系数的应用，确保模块尺寸设计经济合理。

3.5 机载电子结构设计的智能化

智能化是由最新的计算机技术和微电子技术结合而形成的一种尖端技术，一般都是电气性能智能化，而认为结构并无智能化要求。实际目前电子产品实现机电一体化设计，可以通过结构与电气功能结合，结构设计也有智能化的趋势。如通过产品通风孔面积的调整，或对风机转速的等参数的调整，对散热能力进行调整，确保产品在稳定的温度范围内进行工作，减少温度冲击对产品寿命的影响，降低产品功耗，减少噪音。

4 总结

机载电子设备结构技术作为电子系统的重要技术支撑，确保机载电子设备各项指标满足实际使用要求，提升产品可靠性和可维护性。机载电子设备面对复杂的飞行器环境，性能提升必须依靠方法系统提升，结构设计技术迭代速度比电子产品慢，要紧跟系统发展方向，满足未来机载电子发展的需求，必须提前预判、做好各专业方向技术研发储备，才能适应机载电子设备数字化、综合化、模块化、通用化和智能化发展方向。

参考文献：

[1][奥]罗兰·沃尔夫格著，牛文生，等译.航空工业出版社，2015.

[2]邱成悌，赵惇殳，蒋兴权.电子设备结构设计原理.东南大学出版社，2004.

[3]刘建影著，郭福，马立民译.科学出版社，2013.

作者简介：张丰华（1981-），男，陕西大荔人，高工，研究方向为电子设备结构设计。