機載電子設(shè)備機箱是把設(shè)備內(nèi)部各種電子元器件、組件、模塊和機械零部件合理組裝成為有機整體，使其免受各種復(fù)雜環(huán)境影響和干擾，確保電性能的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。作為高技術(shù)產(chǎn)品的現(xiàn)代航空電子設(shè)備的機箱設(shè)計，早已不再是單純機械安裝、支撐和結(jié)構(gòu)外殼設(shè)計的概念^［1］，而是以滿足設(shè)備功能和環(huán)境要求為基本設(shè)計內(nèi)容，體現(xiàn)電子設(shè)備總體設(shè)計思想的綜合技術(shù)。

為推動機載電子設(shè)備機箱設(shè)計技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化、組合化，提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本，方便使用和維修，有必要專門開發(fā)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及使用要求的航空電子設(shè)備通用機箱。本文基于此需求開發(fā)了折疊式3、4MCU( 可更換標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備) 航空電子設(shè)備通用機箱，可作為各種軍民用機載平臺條件下模塊化航空電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)LRU( 現(xiàn)場可更換設(shè)備) 機箱使用，即可將按要求設(shè)計的完成獨立調(diào)試的功能模塊、組件通過簡單快捷的機械、電氣互聯(lián)組裝成一個標(biāo)準(zhǔn)LRU 機箱式電子設(shè)備，同時滿足各種電氣性能、機械連接性能、使用維護(hù)性能和環(huán)境適應(yīng)性能。

1 機箱設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及典型結(jié)構(gòu)形式

1.1 機箱設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

國外發(fā)達(dá)國家特別是歐美很早就推行了軍民用航空電子設(shè)備機箱的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計工作，典型的航空電子設(shè)備機箱設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下^［2］。

( 1) ARINC404 及ARINC404A 規(guī)范

美國航空無線電公司( Aeronautical Radio Inc．)1956 年制定了ARINC404 規(guī)范，規(guī)定航空電子設(shè)備外形尺寸代號為ATR，ATR 取自該公司電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計師Austin Trumbull 的名字AT 及Radio 的首字母R。其特點是: 所有電子設(shè)備一律為長方體，高度wq相同( 7． 625 英寸) ，不同設(shè)備可選不同的長度和寬度; 對外電氣接口全部采用安裝在設(shè)備后壁上的DPX － 2 矩形電連接器完成; 前面板盡可能不設(shè)置圓形連接器以避免交錯給維修和電磁兼容帶來困難; 冷卻氣流從安裝架冷卻通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)備，便于使用飛機環(huán)境控制系統(tǒng); 采用統(tǒng)一的設(shè)備緊固與安裝方式。該公司1974年又推出ARINC404A 規(guī)范，增加了矮小型1 /4ATR、短1ATR 兩種尺寸。

( 2) ARINC600 規(guī)范

由于前述標(biāo)準(zhǔn)機箱采用英制單位、機箱寬度系列間距較大、對外連線增多等因素，美國航空無線電公司1977 年發(fā)布了ARINC600 規(guī)范，將設(shè)備外形尺寸系列代號改稱為MCU，與ARINC404 及404A 相比，外形尺寸采用國際單位制，可選尺寸寬度最小為25.4mm( 1MCU) ，最寬為388.4mm( 12MCU) ，共12 檔; 用600型矩形連接器代替DPX － 2 矩形電連接器，可安裝600根接插件并可安裝同軸、光纖、電源和識別銷等接插件。目前多數(shù)民用客機上的電子設(shè)備均采用該標(biāo)準(zhǔn)。

( 3) DOD － STD － 1788 標(biāo)準(zhǔn)

1985 年美國軍方發(fā)行的采用國際單位制的“航空電子設(shè)備接口設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”，規(guī)定電子設(shè)備外形尺寸系列代號為LRU，其尺寸與ARINC600 的MCU 尺寸系列wq相同，只是少一個25． 4 mm( 1MCU) 的寬度，共11檔; 后部安裝M600 型jy矩形連接器可安裝750根接插件，高度比600 型矩形連接器小46.61 mm，從而使后壁有冷卻空氣風(fēng)道位置，增強散熱功能。

我國航空電子設(shè)備機箱標(biāo)準(zhǔn)起草于80 年代末，主要有GJB441—88《機載電子設(shè)備機箱和安裝架的安裝形式和基本尺寸》和HB7390—96《民用飛機電子設(shè)備接口要求》。前者尺寸系列代號稱為ATR，接近于美軍標(biāo)DOD － STD － 1788 的LRU 系列標(biāo)準(zhǔn)，但在尺寸基準(zhǔn)、安裝接口、冷卻風(fēng)道等細(xì)節(jié)上有很多不同，使用時要注意甄別。后者基本等同于ARINC600 規(guī)范，但細(xì)節(jié)上也有一些區(qū)別。

1.2 典型機箱結(jié)構(gòu)形式

所有機箱設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定機箱的外形尺寸系列、接口要求等，不規(guī)定機箱如何構(gòu)形的問題，即無論如何拼裝，只要滿足外形尺寸系列及接口要求即可。從機箱構(gòu)形上可以簡單地分為獨立箱體式、積木組合式、混合型3 種。獨立箱體式指機箱相對獨立，構(gòu)成設(shè)備的外殼，內(nèi)部可安裝各種模塊和組件。積木組合式指不存在單獨的機箱，機箱由設(shè)備各組成單元像壘積木一樣搭建而成。混合型機箱則兼具前面兩種特征。根據(jù)獨立式機箱內(nèi)模塊的安裝形式又可分為插板式、書頁式兩種，其中書頁式可像書頁一樣折疊展開，方便機箱及模塊的安裝、檢測與維護(hù)。

2 折疊式MCU 通用機箱設(shè)計方案

2.2 總體設(shè)計方案

折疊式MCU 航空電子設(shè)備通用機箱設(shè)計滿足HB7390 標(biāo)準(zhǔn)［3］，同時貫徹執(zhí)行通用化、系列化、模塊化設(shè)計準(zhǔn)則，提高機箱標(biāo)準(zhǔn)化及互換性水平。機箱詳細(xì)設(shè)計注重人機工程、外觀造型及表面處理，使設(shè)備美觀大方，有良好的維修性和可操作性。通過研究借鑒國內(nèi)外同類產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，確定本折疊式MCU 通用機箱采用銑制鋁合金零部件螺裝組合而成的結(jié)構(gòu)總體方案，避免板筋件機箱易變形、不適合零星生產(chǎn)的缺點。機箱由面板、后框、頂板、底板、左側(cè)門、右側(cè)門等主要結(jié)構(gòu)件以及其他功能零部件組成，左右側(cè)門可繞機箱后框上的轉(zhuǎn)軸折疊展開，其外觀、組成及尺寸見圖1 ～圖3。

圖1 折疊式MCU 機箱外觀

圖2 折疊式MCU 機箱組成

圖3 4MCU 機箱外形尺寸

2.2 模塊布局

折疊式3、4MCU 通用機箱一般可安裝4 個功能模塊和1 個接口模塊。4MCU 通用機箱內(nèi)4 個功能模塊布局如圖4所示，模塊1 安裝于左側(cè)門上，中部模塊2、模塊3分別安裝于機箱中隔板上( 也可直接安裝于機箱頂板及底板上的中模塊安裝件上) ，模塊4 安裝于右側(cè)門上，3MCU 機箱內(nèi)尺寸劃分有適當(dāng)變化。

圖4 4MCU 機箱內(nèi)功能模塊布局

接口模塊位于機箱尾部，包含滿足ARINC600 標(biāo)準(zhǔn)的高低頻組合式接插件、相關(guān)電路板及其功能組件，見圖5。

圖5 接口模塊功能布局

2.3 接口設(shè)計

2.3.1 模塊安裝機械接口

在機箱設(shè)計方案中，各個功能模塊按機箱規(guī)定的機械接口要求螺裝于對應(yīng)的機箱結(jié)構(gòu)件上，從而實現(xiàn)機箱與功能模塊的獨立設(shè)計、加工。

1) 機箱側(cè)門上模塊安裝機械接口尺寸見圖6，左右側(cè)門鏡像對稱。

圖6 機箱側(cè)門模塊安裝機械接口

2) 機箱中部模塊安裝機械接口尺寸見圖7，左右鏡像對稱。

圖7 機箱中部模塊安裝機械接口

3) 接口模塊電氣組件機械接口尺寸見圖8。

圖8 機箱接口模塊安裝機械接口

2.3.2 模塊電氣互聯(lián)接口

模塊間互聯(lián)電氣接口需根據(jù)整機及模塊詳細(xì)設(shè)計及機箱結(jié)構(gòu)特點確定，主要通過接口模塊實現(xiàn)?？刹捎脤Ｓ酶叩皖l電纜、剛?cè)岚?、排線等傳送模塊間高低頻電信號，機箱中部模塊2、3 之間可以采用直接對插的硬連接方式。采用本機箱設(shè)計方案的某電子設(shè)備通過接口模塊實現(xiàn)各模塊低頻互聯(lián)的電氣連接件方案如圖9 所示。

圖9 某4MCU 電子設(shè)備模塊間互聯(lián)方案

2.4 面板布局與標(biāo)識設(shè)計

機箱面板上布置顯控器件、安裝及使用維護(hù)組件，在適當(dāng)位置標(biāo)識功能代號、功能名稱或使用說明字符。在前面板上方中央距上邊5mm 處粘貼可識別研制生產(chǎn)單位的企業(yè)標(biāo)識，在前面板下方中央距下邊6mm處鉚接設(shè)備銘牌。機箱面板布局見圖10。

圖10 4MCU 機箱面板布局

3 專題設(shè)計與分析

3.1 散熱設(shè)計

MCU通用機箱一般采用外部環(huán)控風(fēng)冷的強迫通風(fēng)冷卻方案，環(huán)控冷卻風(fēng)通過機箱底部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，通過內(nèi)部風(fēng)道直接冷卻各主要發(fā)熱模塊或組件，出風(fēng)口設(shè)置于機箱頂部。機箱底部進(jìn)風(fēng)口設(shè)計除需滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的進(jìn)風(fēng)口區(qū)域要求外，還要根據(jù)內(nèi)部模塊布局、熱源集中區(qū)域分布等特點進(jìn)行布局優(yōu)化設(shè)計，確保冷卻介質(zhì)對熱源集中區(qū)域進(jìn)行高效散熱。機箱頂部出風(fēng)口設(shè)計要同時考慮流道風(fēng)阻、EMC、外觀防護(hù)等要素。內(nèi)部風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計主要考慮模塊特點及布局要求，盡量提高換熱效率，降低流道風(fēng)阻，必要時增加內(nèi)部導(dǎo)流設(shè)計將冷卻介質(zhì)直接從進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)入熱源集中區(qū)域以實現(xiàn)環(huán)控供風(fēng)條件下的{zj0}整機散熱方案。圖11 即是根據(jù)內(nèi)部模塊布局設(shè)計的進(jìn)風(fēng)口設(shè)計方案。圖12 即是采用該通用機箱的某電子設(shè)備( 單機熱耗300 W) 的熱分析及流阻特性分析情況。

圖11 4MCU 機箱底部進(jìn)風(fēng)口設(shè)計圖

圖12 某4MCU 電子設(shè)備散熱及流阻特性分析

通過分析可知，在該機箱設(shè)計散熱條件下，設(shè)備內(nèi)部散熱充分，流場均勻，流阻特性滿足設(shè)計條件下機箱入口處最小供風(fēng)靜壓力500 Pa 的要求^［4］。

3.2 抗振設(shè)計

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，航空電子設(shè)備使用壽命的延長，對航空電子設(shè)備耐惡劣機械環(huán)境的要求也相應(yīng)提高。本通用機箱主體為銑加工的金屬結(jié)構(gòu)件多向螺裝拼接而成，可折疊展開的左右側(cè)門在設(shè)備調(diào)試完成后與機箱主體再次螺裝加固，可充分滿足典型航空電子設(shè)備惡劣機械環(huán)境使用要求。圖13 和表1 即是采用該通用機箱的某電子設(shè)備的抗振分析結(jié)果。

圖13 某4MCU 電子設(shè)備機箱模態(tài)分析

表1 模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)仿真分析結(jié)果，整機及模塊的一階諧振頻率已達(dá)到245 Hz 以上，遠(yuǎn)高于一般印制板組件的安裝固有頻率，具有較高的結(jié)構(gòu)剛強度。

3.3 電磁兼容設(shè)計

為考慮整機設(shè)備的電磁兼容性特殊要求，設(shè)備整體設(shè)計成電磁密封式機箱，對機箱頂板通風(fēng)散熱孔陣進(jìn)行了電磁兼容優(yōu)化設(shè)計，加裝了屏蔽網(wǎng)，對機箱左右側(cè)門采用嵌入式設(shè)計，在安裝接縫處加裝了導(dǎo)電橡膠電磁兼容屏蔽密封條。同時改進(jìn)接插件、指控元器件以及機箱底部安裝面的設(shè)計，確保接插件外殼、機箱外殼良好接地。

該通用機箱不加裝屏蔽網(wǎng)時的屏蔽效能分析結(jié)果見圖14。從分析情況看，機箱屏蔽效能可達(dá)40dB以上，在常用的U/V 頻段屏蔽效能更高^［5］。

圖14 某4MCU 電子設(shè)備機箱電磁屏蔽效能

4 定制設(shè)計與開發(fā)

折疊式MCU 通用機箱由于采用了開放式架構(gòu)，各主要結(jié)構(gòu)件相互獨立銑制而成，因此非常便于特殊情況下的定制開發(fā)與適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計，即不需對機箱方案進(jìn)行大的調(diào)整，僅更改局部組成部件便可滿足機箱的特殊使用需求。

( 1) 機箱散熱、密封方式的改進(jìn)設(shè)計

機箱頂板及底板按HB7390 的規(guī)定開出了布局合理的通風(fēng)散熱孔陣，一方面實際產(chǎn)品研發(fā)時可根據(jù)內(nèi)部模塊特征、熱源分布對進(jìn)出風(fēng)口進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計以明顯提高散熱效率，另一方面如整機設(shè)備散熱量不大且對機箱有密封要求，可取消機箱頂板及底板的通風(fēng)散熱孔陣而采用表面自然散熱。

( 2) 機箱左、右側(cè)門與功能模塊一體化設(shè)計

為節(jié)約空間，減小重量，可將機箱左、右側(cè)門直接作為功能模塊結(jié)構(gòu)件使用，即實現(xiàn)機箱左、右側(cè)門與功能模塊1、4 的一體化設(shè)計方案。

( 3) 模塊厚度分配改進(jìn)設(shè)計

如機箱設(shè)計方案中4 個模塊的厚度分配不滿足需求，可對機箱頂、底板上的中模塊安裝件安裝位置進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計，以便對模塊厚度空間進(jìn)行相互調(diào)整以滿足特殊厚度分配的需求。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了折疊式3、4MCU 航空電子設(shè)備通用機箱，具有如下技術(shù)特點:

1) 機箱設(shè)計為獨立LRU 設(shè)備，通過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備安裝架安裝，機箱外形及對外機械、電氣接口滿足HB7390《民用飛機電子設(shè)備接口要求》，采用后部矩形電連接器實現(xiàn)電氣連接^[5]。

2) 采用折疊式機箱總體結(jié)構(gòu)，機箱左右側(cè)門可繞機箱后框上的轉(zhuǎn)軸折疊展開，機箱使用時可將各獨立調(diào)試完成的功能模塊安裝于機箱左右側(cè)門及中隔板上，非常便于模塊的安裝、檢測與維護(hù)。

3) 為增強機箱的通用性，整個機箱為開放式結(jié)構(gòu)，通過銑制結(jié)構(gòu)件組合螺裝而成，拆裝方便，同時便于特殊情況下的改進(jìn)及適應(yīng)設(shè)計。

4) 使用環(huán)境條件參考DO － 160 － F《機載設(shè)備的環(huán)境條件與試驗程序》及GJB150 執(zhí)行，機箱可采用自然散熱或強迫風(fēng)冷散熱方式，強迫風(fēng)冷散熱時按下部進(jìn)風(fēng)、上部出風(fēng)方式進(jìn)行散熱設(shè)計，滿足HB7390—1996《民用飛機電子設(shè)備接口要求》規(guī)定的機械接口及冷卻風(fēng)道接口要求，冷卻風(fēng)穿過機箱直接對內(nèi)部各功能模塊進(jìn)行高效散熱。

5) 結(jié)構(gòu)設(shè)計參照jy電子設(shè)備/系統(tǒng)有關(guān)設(shè)計規(guī)范執(zhí)行，可同時滿足抗沖擊振動、散熱、電磁兼容、電氣互聯(lián)、可靠性、維修性、安全性、三防、人機工程、包裝運輸及交付等方面的需求。

6) 采用銑制鋁合金零部件螺裝組合而成的結(jié)構(gòu)總體方案，加工工藝性好，適合于零星或小批量生產(chǎn)。

本文論述的折疊式MCU 通用機箱設(shè)計方案為實現(xiàn)航空電子設(shè)備機箱的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化開辟了很好的思路，其產(chǎn)品已實際運用于某型飛機平臺的通信電子裝備中，取得了較好的效果，因此其產(chǎn)品和設(shè)計方案可供現(xiàn)代軍、民用航空電子設(shè)備直接參考或選用