艦載雷達電子設備的環境適應性設計分析

王 駿

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所， 江蘇 揚州 225000）

0 引言

艦載雷達產品伴隨著科學技術的發展， 也取得了非常大的進展， 但目前主要存在的質量問題是可靠性與利用需求上出現的差別、 操作性不夠平穩, 而且也不能全面滿足頂用、耐用、適用的要求, 尤其是在接近實戰的沖擊振動和南海高溫、高濕、高鹽霧腐蝕的環境下，裝備的故障率處于上升趨勢。 雖然艦載雷達裝備的任務可靠性基本能滿足使用要求，但基本可靠性較低。艦載雷達的異常大多和環境因素相關，而艦船環境涉及機械環境、天氣環境以及電磁場等。 艦載雷達產品的環境適應性關乎設備功能、性能以及應用周期。 所以，艦載雷達產品的環境適應性規劃顯得非常關鍵。

1 規范的結構規劃

1.1 強度及剛度規劃

多角度考量最高風載荷、 裹冰、 振動以及搖擺等因素， 借助計算機虛擬系統對受力部件及系統展開自重分析、模態研究、防風研究、裹冰研究、振動分析以及搖擺分析。 要對于各種工況進行全面虛擬分析與評價，盡可能減小應力聚集，零配件選取良好的表層粗糙度，確保機械零配件的穩定度符合系統標準。

1.2 隔振緩沖規劃

由板級、模塊、箱體至機柜展開從小至大、從內到外有層次性的防振體系規劃，提高板級、模塊、箱體本身的剛度及強度，加大本身的現有頻率。 如果機柜隔振效果無法適應敏感配件的響應標準時，要實施二級隔振，但只適用在激振頻率改變范圍很小的條件下。 機柜通常選擇由相搭配的艦載GWF 型沒有諧振峰隔振設備與GBJ 型背架隔振設備構成的背架式隔振緩沖結構。 該隔振緩沖結構三軸向沒有共振擴大，響應穩定，耦合振動低，殘留響應低，響應效果很好。 對配電箱等設備選擇與之適配的鋼絲繩隔振設備。 鋼絲繩隔振設備具備三向剛度，它的隔振效率與緩沖效果都好過無諧振峰隔振設備。

1.3 熱設計

規范化展開熱設計， 保持元部件的溫度在指定數值之下，將設備之中的溫度維持在允許范圍內，且盡可能減小每個位置的溫差梯度。 在元部件與印制電路板外表貼上導熱板，甚至能夠選擇熱管導熱工藝的導熱板。 在裝有空調設備的艙室內， 密閉機柜能夠選擇風機完成強迫對流去熱[1]。 惡劣條件下，能夠選擇液體循環冷卻形式實現散熱。 有些先進的散熱工藝，像自動磁懸浮風扇、熱電制冷工藝以及鎂鋁合金設備散熱等， 要求在其環境適應性可以獲得驗證后才能夠使用。

1.4 電磁兼容規劃

按照系統對機械電磁兼容需求，配置指標，選取良好屏蔽效果的結構載體，甚至能選擇多層屏蔽規劃。

（1）通風口選擇通風波導窗實現電磁屏蔽。其是由許多小截止波導構成的截止波導束，主要材質是低碳鋼、鋁合金以及不銹鋼等[2]。 不同材料、不同截止波導面積外形與大小其電磁屏蔽效果有差別， 要結合具體要求選取相搭配的通風波導窗。 存在很大交變磁場位置要選擇復合屏蔽規劃。

（2）容易受干擾與易形成干擾的信號線通常選擇同軸電纜、屏蔽電線與扭絞屏蔽導線。 為濾波除耦，在電源結構內選擇相搭配的電源濾波設備與磁環、磁珠，于信號系統內選擇相搭配的信號濾波設備、磁環、磁珠、濾波銜接設備與穿心電容， 于印制電路板內選擇相搭配的片狀濾波設備、磁珠。

（3）為避免電磁干擾，除去公共阻力的耦合，需要選擇接地網，以保證機械與人身安全。盡量降低接地電阻與地線阻力，保證機柜中插箱、插件、結構與底座之間存在較好的電氣接觸。去除公共阻力耦合的方法有強電線路、弱電線路分開，數字線路、虛擬線路、公路線路分開，信號區、功率區、機殼區分開[3]。把各系統的機殼地壓接入機柜骨架上與船身地聯通， 各系統的信號區接入機柜信號區上，最后與船身地聯通。

2 合理挑選原材料、零配件

2.1 選擇耐腐蝕能力好的金屬物料

海洋腐蝕一般是局域腐蝕， 指從金屬部件外表開始，在較小范圍內出現腐蝕，像點腐蝕、脫落腐蝕、空隙腐蝕以及電偶腐蝕等。 所以，要全面了解金屬物料的耐腐蝕性能。

（1）核心受力結構件要選擇耐腐蝕能力好的艦用鈦合金，比如ZTA5。這種材料是單相α 型鑄造鈦合金，其具備中等強度、優良的熱穩固性與可焊性，耐腐蝕能力好。 鑄件如選擇HIP 處置、600℃真空退火，能夠讓ZTA5 部件各種性能最好。 艦用鈦合金盡管相較于其它材料制造成本很高，但是在熱帶、赤道海洋天氣條件下持續穩定應用，其整個壽命周期成本能夠把控。

（2）傳動件要選擇高質調質合金鋼、加氮合金鋼、加碳合金鋼，針對低合金高強度鋼材的挑選要注意其低溫沖擊能力，能夠根據改性處置和鍍覆處置提升耐腐蝕能力。

（3）鎂合金盡管存在比重低、比強度好、電磁屏蔽效果好等優勢，但鎂電極電位較低，容易腐蝕，惡劣條件下要防止使用[4]。 如由于重量制約，能選擇其它腐蝕能力好的金屬合金采取中空蜂窩構造（見圖1）和耐候性佳的非金屬復合物來適應剛度及強度需要。

圖1 密封艙內外結構

3 防惡劣環境工藝方法

工藝設計過程要符合結構工藝“三防”標準，較多的選擇抗銹鋁、不銹鋼等抗霉變、耐腐蝕原材料，采取電鍍、氧化、高質量的油漆涂抹或雙重保護、密封膠密封、抗銹油脂以及熱縮套管等方法，提升防腐蝕性能，延伸設備的應用周期。

3.1 材料改性處置方法

結合材料特性、狀態以及應力的出現和布局狀況，經對金屬物料實施冷/熱加工與熱處置的改性處置或在非金屬物料生產方面添加防老化劑與穩固劑， 由此不斷提升材料的防腐蝕能力及耐候水平。

（1）優化金屬物料的金相結構，像奧氏體不銹鋼實施固溶處置能夠減小晶間腐蝕的靈敏度[5]。防止采用對腐蝕靈敏的熱處置狀態， 像奧氏體不銹鋼除應力退火溫度太高，溫度滿足敏化區將下降耐晶間腐蝕的能力，需要再次展開固溶處置。

（2）對加工件、焊接件進行噴砂處置。

（3）去除生產應力與變形，降低殘留應力，可以提升金屬物料的耐腐蝕能力以及疲勞周期。

（4）對合金鋼類部件實施QPQ 處置、加氮處置。 艙室外機械的傳動結構其動密封條有較長的應用周期，若應用階段動密封條失效將會造成鹽霧、雨水以及海浪等腐蝕零部件。 傳動軸、銷等部件能夠選擇高質調質鋼調質后實施QPQ 處置。 QPQ 處置工藝促進了黑色金屬的熱處置工藝與抗腐蝕工藝的復合、 耐腐能力與防腐蝕能力的復合、加氮工序與氧化流程的復合、氮化物與氧化物的復合，屬于一種使用普遍的黑色金屬外表增強改性工藝。滾珠絲杠能夠選擇38CrMoAlA 高質氮化鋼調質后展開加氮處置，具備良好的耐磨能力、耐疲勞效果、耐腐蝕效果和耐高溫能力，比GCr15 軸承鋼類滾珠絲杠耐腐蝕能力好許多。

3.2 非金屬原料的涂覆

（1）針對自主生產的鐵氧體配件、線條、絕緣板以及支架等與其它零配件包含組裝后的線扎噴上絕緣材料，由此提升其“三防”性能。 真空浸漬就是提升變壓設備線條、 繞組等配件絕緣能力的工藝方法。 選擇環氧樹脂絕緣材料真空浸漬處置的線條、繞組提升了絕緣能力與防潮水平，提高了粘接強度，提升了防震動、沖擊水平。

（2）對PCB 配件中重心很高、質量很大的原配件與導線選擇3140RTV 硅酮膠實施粘接固定，由此提升PCB 配件防震動、沖擊水平。

（3）灌縫即把樹脂、涂料等融入變壓器、電子配件等電路網、元件或配件的全部間隙完成封裝，或把密封防護物埋封于電銜接器或配件外露的導線四周，由此提升設備的“三防”水平與防震動、沖擊性能。變壓器類通常在線條、繞組通過真空浸漬處置后都采取環氧樹脂實施端封和總體灌封。 艙室內外的PCB 部件原則方面要選擇704 硅橡膠、高導熱有機硅凝膠以及3140RTV 硅酮膠實現總體灌封。電銜接器和電纜銜接的焊點容易受到飽和濕氣和冷凝水的入侵出現短路、腐蝕以及脫焊等問題，需要選擇硅橡膠灌封處置，由此提升“三防”水平與防振動、沖擊能力。

4 結束語

艦載雷達產品的環境適應性屬于系統的一項核心戰技指標。為保證艦載雷達產品的環境適應性，必須選取原材料、零配件、原配件，整體應用防惡劣環境工藝方法，把剛度及強度規劃、熱設計、電磁兼容規劃等融入設備設計的整個過程。伴隨微組裝工藝的進步，雷達電子產品向著采取微型元配件密集組合的薄小體積結構趨勢發展，機械的“三防”能力更是影響穩定性的核心因素。由此，結構工藝設計人員要注重與探究提升艦載雷達產品環境適應性的新物料、新工藝、新結構以及新技術。