彈載設備結構電氣一體化設計與驗證

史若沖，楊春雷，常新月，張 濤，王志紅

0 引 言

近年來隨著電子技術、信息技術、網絡技術等飛速發展，戰術導彈呈現智能化、網絡化、低成本化的發展趨勢。戰術導彈電氣系統逐漸由單一的制導控制載體，演變成具備攻防對抗、目標規劃、產品全壽命信息等多功能的綜合平臺。

傳統的戰術導彈電氣系統由多個承擔不同功能的分立式單機組成，單機間依靠電纜網實現通信。隨著戰術導彈功能需求的增加，只能依靠增加電氣設備的數量，電氣系統擴展能力差，且狹小的艙體制約了單機的尺寸、重量和散熱性能，差異性外形接口與復雜電纜網增加了導彈總體設計的難度，傳統的設計思路難以適應戰術導彈發展的需求。

結構電氣一體化技術作為一種建立在系統總體技術、電子技術、機械技術、自動控制技術、載荷環境技術、信息處理技術、傳感與測試技術、可靠性技術等現代高新技術群體基礎上的系統性綜合技術，突出強調各項技術的相互滲透和有機融合，實現整個系統在功能、重量、耗能、可靠性等方面的最優[1,2]。通用性設計是為了最大限度地擴大產品的使用范圍[3,4]，開放性設計是為了滿足產品升級換代的需求。因此，開展戰術導彈通用開放式結構電氣一體化設計，是實現戰術導彈向集成化、低成本化發展的一項最基本且十分關鍵的技術。

1 通用結構電氣一體化設計方案

本文提出的電氣系統是一個通用化開放式架構平臺，該平臺以通用電氣功能模塊為基本組成單元，具有良好的集成性和可擴展性。系統采用模塊化設計思路，對傳統彈上電氣系統進行功能分析和分解，按照系統最優原則進行功能再分配，形成由統一電氣接口和機械接口組成的多個通用電氣模塊，在背板上通過以太網協議實時高速通信實現各項功能。結構電氣一體化設計主要從彈上電氣系統通用化設計、艙體高填裝結構一體化設計、集成化電氣系統熱控設計以及一體化減振及整體電磁屏蔽設計等4個方面開展。

1.1 彈上電氣系統通用化設計

彈上電氣系統通用化設計包括：通用化機械接口設計、模塊結構防插錯設計、模塊快速起拔設計、通用化電氣接口設計，如圖1所示。

圖1 通用化設計Fig.1 A Universal Design for the Electronic Module

a）通用化機械接口設計：統一通用電氣模塊與機箱裝配尺寸，形成規范化的標準模塊，根據電氣功能需求實現功能模塊的模塊化快速組合，形成了“功能定制”與“模塊通用”的高效電氣組合機制。非配合面尺寸要求具有足夠的配合間隙，配合面采用楔形鎖緊連接形式，使得配合尺寸在一定尺寸范圍內具有可調節性，確保設計具有良好的通用性。

b）模塊結構防插錯設計：為了避免模塊的誤插拔，在模塊兩側分別布置導向銷，導向銷上設置特定缺口配合結構，可調整缺口角度達到結構配合，實現導向和防插錯功能融合的一體化設計。

c）模塊快速起拔設計：起拔裝置采用杠桿原理減輕實際操作力，起拔力作用在模塊中心面，保證了起拔過程中連接器正常分離，起拔裝置提高了模塊的操作性能。

無論英語，還是漢語，都擁有數量龐大的人體詞。人體詞，也叫人體部位詞，是我們最為熟悉的詞類之一，英語中的人體詞有“face”“eye”“nose”“mouth”“ear”“heart”“foot”等，對應地，漢語中也有“面”“耳”“鼻”“口”“耳”“心”“足”等。在實際應用中，人體詞除了具有指示人體各部位的基本含義之外，往往還具有多義的特征。多項詞義的構建使得原本意義和所指單一的身體詞具有了更廣泛的延伸意義。

d）通用化電氣接口設計：統一規范了電氣接插件規格，對接口分區管理，A區為模塊主電源、模塊物理地址接口、系統管理、系統復位等，B區為單端和差分信號、參考時鐘信號等，C區為自定義接口，可按需求設計差分對接口或單端信號口。

集成電氣系統通用化設計是航空航天電氣系統設計的重要方向[5]，保障了通用電氣模塊在多型號中的通用互換，是實現彈載設備開放式架構的基礎。通用化電氣系統有利于模塊的快速更換、升級維修以及新模塊接入，實現了導彈武器的低成本設計、快速批產能力以及維修保障性能。

1.2 艙體高填裝結構一體化設計

艙體高填裝結構一體化設計如圖2所示。

圖2 高填裝布局設計Fig.2 The Layout Design of High Filled

a）通用單元的拼裝式結構設計：為了提高背板電路的可設計性、載荷/熱環境的一致性，在保證結構強度和模塊隔離基礎上，規定以 4個通用連接槽為一個通用單元，通用單元的數量根據不同類型導彈電氣系統的實際需求選擇，多余槽位經適當分配可作為擴展功能留存。

b）與內腔隨形的設備外形設計：對通用單元進行合理的組裝拼接，合理布局對外接插件的空間位置，使得設備外形輪廓與艙體內輪廓相匹配，實現對導彈艙體空間的充分利用。

c）快速拆裝的整體支架設計：模塊組合通過一體式支架轉接至艙壁上，支架上各功能單元在艙外實現裝配，避免了艙體狹小空間操作困難的問題，支架與艙壁通過多點固定的連接形式，受內腔異性面影響小，連接可實現快速拆卸功能，提高電氣系統的維修性。

導彈高填裝設備結構一體化設計技術，從系統總體角度，提高了空間利用率、設計通用性、使用便捷性、環境可靠性，實現了電氣系統多性能整體提升。

1.3 集成化電氣系統熱控設計

a）模塊級熱控設計：目標是將發熱元件產生的熱量快速傳導至模塊外部，可通過優化發熱元件空間布局、增加傳導路徑、降低傳導熱阻等方式實現。模塊級的熱傳遞通道包含：冷板傳熱通道、PCB板傳熱通道和自然輻射通道。

b）單元級熱控設計：目標是將內部傳遞出來的熱量快速散發或吸收，可通過增大單元輻射面積和輻射系數或使用風冷技術提高單元對外散熱能力。單元級的熱傳遞通道包含自然輻射通道和肋片風冷通道。

集成化電氣系統熱控設計是一門涉及熱、結構、電氣、材料等多學科融合的新技術，通過對整個電氣系統進行統一熱控管理，建立不同電子功耗對應的熱控貨架選型方案，實現低功耗、小質量、低成本的熱控設計。

圖3 系統熱控設計Fig.3 The Thermal Design and Control of System

1.4 一體化減振及整體電磁屏蔽設計

a）一體式減振設計：對模塊組合進行一體式減振設計，在支架與艙壁連接處采用橡膠減振器進行隔振處理，為彈上電氣系統提供一個良好的力學環境。減振器采用硅橡膠材料，具有良好的耐高溫性能，該材料在-20～160 ℃范圍內具有良好一致性。通過調整硅橡膠材料配比和結構尺寸可設計出需要的諧振頻率。

b）整體電磁屏蔽設計：模塊組合殼體采用具有高導電率的鋁合金材料，模塊組合上下口蓋采用貼有導電橡膠的鋁板進行整體密封，鋁板安裝螺釘排列緊密，口蓋搭接性良好，組合結構外殼電介質連續，實現了整個系統的電磁屏蔽。

2 通用結構電氣設備性能試驗驗證

2.1 熱穩定性驗證試驗

彈載設備在室溫下重復運行飛行程序，獲得的溫升曲線如圖4所示。由圖4可以得出，該設備重復進行 6次飛行程序（受軟件初始化限制，每次飛行程序結束后需斷電，系統10 s內再次通電）的電氣模塊最高溫度的變化情況，通用電氣模塊內部最高溫度滿足不大于85 ℃的標準設計值，試驗驗證了該熱控方法設計的正確性。

圖4 溫升曲線Fig.4 The Temperature Rise Curve of the Electronic Module

2.2 系統振動試驗

彈載設備在電動振動試驗系統（滑臺）上按照導彈飛行驗收功率譜密度條件開展試驗，試驗結果見表1和圖5，其中放大倍數是每個頻率點設備減振后輸出加速度幅值與減振前輸入加速度幅值的比值，系統減振效率為 η = ( G rms輸入? Grms設備) Grms設備，其中：Grms輸入為試驗工裝上減振前的均方根值，Grms設備為彈載設備上經減振器減振后的平均響應均方根值。一體化減振設計使得 X、Y、Z方向的減振效率分別達到了 49.3%、75.5%和51.9%，200～2000 Hz頻帶范圍的振動被明顯衰減，減振效果明顯。一體化減振器的設計使得一體式組合結構的一階和二階頻率避開了導彈殼體上的諧振頻率點，避免了頻率強耦合情況發生，為電氣模塊提供了良好的環境條件。

表1 整體減振性能Tab.1 The Performance of Integrated Vibration Absorption

圖5 三方向減振器動態特性Fig.5 The Dynamic Characteristics of the Shock Absorber in Three Ways

2.3 電磁兼容試驗

根據GJB 151B-2013《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》的要求，彈載設備需經過輻射場干擾考核，輻射場強參考“陸軍空間”極限值電平（20 V/m）施加，干擾注入頻段為10 kHz～18 GHz。試驗過程中輻射發射天線正對彈載設備，試驗配置見圖6，設備加電同步運行飛行程序。結果顯示，電氣系統健康狀態監控正常，設備電磁屏蔽性設計良好。

圖6 RS103試驗配置Fig.6 The Set-up of an RS103 Experiment

3 結束語

本文從通用化、空間布局、熱/力/電磁環境等方面進行了結構電氣一體化設計，并通過性能試驗驗證了設計方案的正確性。彈載設備采用結構電氣一體化設計方法，具有結構重量輕、體積小、零部組件少、集成化程度高、擴展能力好、復雜環境適應性強等優點，解決了傳統彈載設備定制性強、通用化程度低、系統集成優化度弱和擴展性差等問題，能夠滿足戰術導彈對低成本、集成化和智能化的發展需求。