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機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱是把設(shè)備內(nèi)部各種電子元器件、組件、模塊和機(jī)械零部件合理組裝成為有機(jī)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(jī)箱設(shè)計(jì)，早已不再是單純機(jī)械安裝、支撐和結(jié)構(gòu)外殼設(shè)計(jì)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(jì)內(nèi)容，體現(xiàn)電子設(shè)備總體設(shè)計(jì)思想的綜合技術(shù)。
為推動(dòng)機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kāi)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(jī)箱。本文基于此需求開(kāi)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(jī)箱，可作為各種軍民用機(jī)載平臺(tái)條件下模塊化航空電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)LRU( 現(xiàn)場(chǎng)可更換設(shè)備) 機(jī)箱使用，即可將按要求設(shè)計(jì)的完成獨(dú)立調(diào)試的功能模塊、組件通過(guò)簡(jiǎn)單快捷的機(jī)械、電氣互聯(lián)組裝成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)LRU 機(jī)箱式電子設(shè)備，同時(shí)滿足各種電氣性能、機(jī)械連接性能、使用維護(hù)性能和環(huán)境適應(yīng)性能。
國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家特別是歐美很早就推行了軍民用航空電子設(shè)備機(jī)箱的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)工作，典型的航空電子設(shè)備機(jī)箱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下［2］。
( 1) ARINC404 及ARINC404A 規(guī)范
美國(guó)航空無(wú)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(hào)為ATR，ATR 取自該公司電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師Austin Trumbull 的名字AT 及Radio 的首字母R。其特點(diǎn)是: 所有電子設(shè)備一律為長(zhǎng)方體，高度wq相同( 7． 625 英寸) ，不同設(shè)備可選不同的長(zhǎng)度和寬度; 對(duì)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(cuò)給維修和電磁兼容帶來(lái)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(jī)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(jī)箱采用英制單位、機(jī)箱寬度系列間距較大、對(duì)外連線增多等因素，美國(guó)航空無(wú)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(hào)改稱為MCU，與ARINC404 及404A 相比，外形尺寸采用國(guó)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(shí)別銷等接插件。目前多數(shù)民用客機(jī)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(guó)軍方發(fā)行的采用國(guó)際單位制的“航空電子設(shè)備接口設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”，規(guī)定電子設(shè)備外形尺寸系列代號(hào)為L(zhǎng)RU，其尺寸與ARINC600 的MCU 尺寸系列wq相同，只是少一個(gè)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(qiáng)散熱功能。
我國(guó)航空電子設(shè)備機(jī)箱標(biāo)準(zhǔn)起草于80 年代末，主要有GJB441—88《機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱和安裝架的安裝形式和基本尺寸》和HB7390—96《民用飛機(jī)電子設(shè)備接口要求》。前者尺寸系列代號(hào)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(shí)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。
所有機(jī)箱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定機(jī)箱的外形尺寸系列、接口要求等，不規(guī)定機(jī)箱如何構(gòu)形的問(wèn)題，即無(wú)論如何拼裝，只要滿足外形尺寸系列及接口要求即可。從機(jī)箱構(gòu)形上可以簡(jiǎn)單地分為獨(dú)立箱體式、積木組合式、混合型3 種。獨(dú)立箱體式指機(jī)箱相對(duì)獨(dú)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(dú)的機(jī)箱，機(jī)箱由設(shè)備各組成單元像壘積木一樣搭建而成?；旌闲蜋C(jī)箱則兼具前面兩種特征。根據(jù)獨(dú)立式機(jī)箱內(nèi)模塊的安裝形式又可分為插板式、書頁(yè)式兩種，其中書頁(yè)式可像書頁(yè)一樣折疊展開(kāi)，方便機(jī)箱及模塊的安裝、檢測(cè)與維護(hù)。
折疊式MCU 航空電子設(shè)備通用機(jī)箱設(shè)計(jì)滿足HB7390 標(biāo)準(zhǔn)［3］，同時(shí)貫徹執(zhí)行通用化、系列化、模塊化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提高機(jī)箱標(biāo)準(zhǔn)化及互換性水平。機(jī)箱詳細(xì)設(shè)計(jì)注重人機(jī)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(guò)研究借鑒國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定本折疊式MCU 通用機(jī)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(jī)箱易變形、不適合零星生產(chǎn)的缺點(diǎn)。機(jī)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(jī)箱后框上的轉(zhuǎn)軸折疊展開(kāi)，其外觀、組成及尺寸見(jiàn)圖1 ～圖3。
圖1 折疊式MCU 機(jī)箱外觀
圖2 折疊式MCU 機(jī)箱組成
圖3 4MCU 機(jī)箱外形尺寸
折疊式3、4MCU 通用機(jī)箱一般可安裝4 個(gè)功能模塊和1 個(gè)接口模塊。4MCU 通用機(jī)箱內(nèi)4 個(gè)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(jī)箱中隔板上( 也可直接安裝于機(jī)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(jī)箱內(nèi)尺寸劃分有適當(dāng)變化。
圖4 4MCU 機(jī)箱內(nèi)功能模塊布局
接口模塊位于機(jī)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(jiàn)圖5。
圖5 接口模塊功能布局
在機(jī)箱設(shè)計(jì)方案中，各個(gè)功能模塊按機(jī)箱規(guī)定的機(jī)械接口要求螺裝于對(duì)應(yīng)的機(jī)箱結(jié)構(gòu)件上，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)箱與功能模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)、加工。
1) 機(jī)箱側(cè)門上模塊安裝機(jī)械接口尺寸見(jiàn)圖6，左右側(cè)門鏡像對(duì)稱。
圖6 機(jī)箱側(cè)門模塊安裝機(jī)械接口
2) 機(jī)箱中部模塊安裝機(jī)械接口尺寸見(jiàn)圖7，左右鏡像對(duì)稱。
圖7 機(jī)箱中部模塊安裝機(jī)械接口
3) 接口模塊電氣組件機(jī)械接口尺寸見(jiàn)圖8。
圖8 機(jī)箱接口模塊安裝機(jī)械接口
模塊間互聯(lián)電氣接口需根據(jù)整機(jī)及模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)及機(jī)箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定，主要通過(guò)接口模塊實(shí)現(xiàn)。可采用專用高低頻電纜、剛?cè)岚濉⑴啪€等傳送模塊間高低頻電信號(hào)，機(jī)箱中部模塊2、3 之間可以采用直接對(duì)插的硬連接方式。采用本機(jī)箱設(shè)計(jì)方案的某電子設(shè)備通過(guò)接口模塊實(shí)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
機(jī)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(shí)功能代號(hào)、功能名稱或使用說(shuō)明字符。在前面板上方中央距上邊5mm 處粘貼可識(shí)別研制生產(chǎn)單位的企業(yè)標(biāo)識(shí)，在前面板下方中央距下邊6mm處鉚接設(shè)備銘牌。機(jī)箱面板布局見(jiàn)圖10。
圖10 4MCU 機(jī)箱面板布局
MCU通用機(jī)箱一般采用外部環(huán)控風(fēng)冷的強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻方案，環(huán)控冷卻風(fēng)通過(guò)機(jī)箱底部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，通過(guò)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(jī)箱頂部。機(jī)箱底部進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)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(diǎn)進(jìn)行布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保冷卻介質(zhì)對(duì)熱源集中區(qū)域進(jìn)行高效散熱。機(jī)箱頂部出風(fēng)口設(shè)計(jì)要同時(shí)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(jì)主要考慮模塊特點(diǎn)及布局要求，盡量提高換熱效率，降低流道風(fēng)阻，必要時(shí)增加內(nèi)部導(dǎo)流設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)環(huán)控供風(fēng)條件下的{zj0}整機(jī)散熱方案。圖11 即是根據(jù)內(nèi)部模塊布局設(shè)計(jì)的進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)方案。圖12 即是采用該通用機(jī)箱的某電子設(shè)備( 單機(jī)熱耗300 W) 的熱分析及流阻特性分析情況。
圖11 4MCU 機(jī)箱底部進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)圖
圖12 某4MCU 電子設(shè)備散熱及流阻特性分析
通過(guò)分析可知，在該機(jī)箱設(shè)計(jì)散熱條件下，設(shè)備內(nèi)部散熱充分，流場(chǎng)均勻，流阻特性滿足設(shè)計(jì)條件下機(jī)箱入口處最小供風(fēng)靜壓力500 Pa 的要求［4］。
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(zhǎng)，對(duì)航空電子設(shè)備耐惡劣機(jī)械環(huán)境的要求也相應(yīng)提高。本通用機(jī)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(kāi)的左右側(cè)門在設(shè)備調(diào)試完成后與機(jī)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(jī)械環(huán)境使用要求。圖13 和表1 即是采用該通用機(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)度。
為考慮整機(jī)設(shè)備的電磁兼容性特殊要求，設(shè)備整體設(shè)計(jì)成電磁密封式機(jī)箱，對(duì)機(jī)箱頂板通風(fēng)散熱孔陣進(jìn)行了電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)，加裝了屏蔽網(wǎng)，對(duì)機(jī)箱左右側(cè)門采用嵌入式設(shè)計(jì)，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(shí)改進(jìn)接插件、指控元器件以及機(jī)箱底部安裝面的設(shè)計(jì)，確保接插件外殼、機(jī)箱外殼良好接地。
該通用機(jī)箱不加裝屏蔽網(wǎng)時(shí)的屏蔽效能分析結(jié)果見(jiàn)圖14。從分析情況看，機(jī)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(jī)箱電磁屏蔽效能
折疊式MCU 通用機(jī)箱由于采用了開(kāi)放式架構(gòu)，各主要結(jié)構(gòu)件相互獨(dú)立銑制而成，因此非常便于特殊情況下的定制開(kāi)發(fā)與適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)，即不需對(duì)機(jī)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(jī)箱的特殊使用需求。
( 1) 機(jī)箱散熱、密封方式的改進(jìn)設(shè)計(jì)
機(jī)箱頂板及底板按HB7390 的規(guī)定開(kāi)出了布局合理的通風(fēng)散熱孔陣，一方面實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)時(shí)可根據(jù)內(nèi)部模塊特征、熱源分布對(duì)進(jìn)出風(fēng)口進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)以明顯提高散熱效率，另一方面如整機(jī)設(shè)備散熱量不大且對(duì)機(jī)箱有密封要求，可取消機(jī)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(jī)箱左、右側(cè)門與功能模塊一體化設(shè)計(jì)
為節(jié)約空間，減小重量，可將機(jī)箱左、右側(cè)門直接作為功能模塊結(jié)構(gòu)件使用，即實(shí)現(xiàn)機(jī)箱左、右側(cè)門與功能模塊1、4 的一體化設(shè)計(jì)方案。
( 3) 模塊厚度分配改進(jìn)設(shè)計(jì)
如機(jī)箱設(shè)計(jì)方案中4 個(gè)模塊的厚度分配不滿足需求，可對(duì)機(jī)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(jì)，以便對(duì)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。
綜上所述，本文根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)了折疊式3、4MCU 航空電子設(shè)備通用機(jī)箱，具有如下技術(shù)特點(diǎn):
1) 機(jī)箱設(shè)計(jì)為獨(dú)立LRU 設(shè)備，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備安裝架安裝，機(jī)箱外形及對(duì)外機(jī)械、電氣接口滿足HB7390《民用飛機(jī)電子設(shè)備接口要求》，采用后部矩形電連接器實(shí)現(xiàn)電氣連接[5]。
2) 采用折疊式機(jī)箱總體結(jié)構(gòu)，機(jī)箱左右側(cè)門可繞機(jī)箱后框上的轉(zhuǎn)軸折疊展開(kāi)，機(jī)箱使用時(shí)可將各獨(dú)立調(diào)試完成的功能模塊安裝于機(jī)箱左右側(cè)門及中隔板上，非常便于模塊的安裝、檢測(cè)與維護(hù)。
3) 為增強(qiáng)機(jī)箱的通用性，整個(gè)機(jī)箱為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，通過(guò)銑制結(jié)構(gòu)件組合螺裝而成，拆裝方便，同時(shí)便于特殊情況下的改進(jìn)及適應(yīng)設(shè)計(jì)。
4) 使用環(huán)境條件參考DO － 160 － F《機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件與試驗(yàn)程序》及GJB150 執(zhí)行，機(jī)箱可采用自然散熱或強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱時(shí)按下部進(jìn)風(fēng)、上部出風(fēng)方式進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，滿足HB7390—1996《民用飛機(jī)電子設(shè)備接口要求》規(guī)定的機(jī)械接口及冷卻風(fēng)道接口要求，冷卻風(fēng)穿過(guò)機(jī)箱直接對(duì)內(nèi)部各功能模塊進(jìn)行高效散熱。
5) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參照jy電子設(shè)備/系統(tǒng)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行，可同時(shí)滿足抗沖擊振動(dòng)、散熱、電磁兼容、電氣互聯(lián)、可靠性、維修性、安全性、三防、人機(jī)工程、包裝運(yùn)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(jī)箱設(shè)計(jì)方案為實(shí)現(xiàn)航空電子設(shè)備機(jī)箱的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化開(kāi)辟了很好的思路，其產(chǎn)品已實(shí)際運(yùn)用于某型飛機(jī)平臺(tái)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(jì)方案可供現(xiàn)代軍、民用航空電子設(shè)備直接參考或選用
