李雨+魏強

摘 要： 機載電子裝備日益復雜化，飛機平臺資源的有限性迫切要求其開展有效的輕量化工作。從系統(tǒng)頂層設計、總體布局、硬件設計、新型材料等方面論述了如何在機載電子裝備研制過程中開展輕量化工作，對當前實際工程開展輕量化工作具有一定的指導意義。

關鍵詞： 輕量化設計； 機載電子裝備； 重量控制； 硬件設計

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0148?02

Research on lightweight design of airborne electronic equipments

LI Yu， WEI Qiang

（China Academy of Electronics and Information Technology， Beijing 100041， China）

Abstract： With the increasing complication of airborne electronic equipments， the lightweight research is exigent due to the limitation of airborne space resource. The lightweight research in the process of airborne electronic equipment development is discussed in the aspects of system top?design， overall?layout， hardware design and new materials， which has a certain guiding significance for lightweight of the current engineering projects.

Keywords： lightweight design； airborne electronic equipment； weight control； hardware design

機載信息化武器裝備是適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭需要，為執(zhí)行特定作戰(zhàn)任務，對飛機平臺進行改裝，加載電子裝備研制而成。飛機平臺資源有限，加裝的電子裝備在功耗、空間等方面都受到苛刻的限制，尤其是重量（本文所述“重量”一詞按標準規(guī)定應為“質量”，但為避免與習慣用法發(fā)生誤解，本文仍用“重量”），不僅關系到載機的飛行性能與飛行安全，更直接影響整個機載武器裝備的作戰(zhàn)性能與戰(zhàn)技指標發(fā)揮。電子裝備輕量化就是在保證電子裝備功能/性能的前提下，盡可能降低整個系統(tǒng)的重量，從而減少對平臺的資源占用，其輕量化工作緊迫而意義重大，必須嚴格貫徹載機的重量控制要求，從頂層設計出發(fā)，通過資源共享、功能共用、模塊化設計、大規(guī)模應用復合材料等手段，從根本上保證電子裝備的功能與性能，減輕重量，并降低功耗、空間方面的需求。

1 電子裝備輕量化評價指標

電子裝備的輕量化程度與當前的技術發(fā)展狀況緊密聯(lián)系，輕量化工作是設計、工藝、材料技術集成的工程，受到多種學科、技術的發(fā)展制約。評價一套電子裝備是否輕型，是否有潛力進一步降低重量，需要有一套評判指標。目前，針對電子裝備的輕量化水平并沒有明確的評價方法，無法判斷電子裝備進一步輕量化的潛力，因此，十分有必要開展電子裝備輕量化評價指標體系的建立工作。本文初步提出以下兩個參數(shù)作為評價指標，后續(xù)研究工作中會逐步補充完善：

（1） 結構重量占比。電子裝備中的結構（除板卡、接插件、線纜等元器件之外的殼體、機箱、機架等）重量與整個電子裝備總重量之比。這一參數(shù)可以在一定程度上代表電子裝備在設計、工藝等方面技術先進度，可以反映出電子裝備的結構質量利用率，進一步指出輕量化工作的方向。在航天領域，當此參數(shù)達到10%～15%后，一般認為輕量化潛力已不大，電子裝備行業(yè)的相關數(shù)據(jù)尚有待開展統(tǒng)計分析。

（2） 輕質材料占比。輕質材料重量在整個電子裝備總重量中的比例。輕質材料主要指可以取代鋼、鋁合金等常用材料的鈦合金、鎂合金、復合材料等，其特點是密度較小、剛度、強度較好。輕質材料占比這一參數(shù)可以很好的體現(xiàn)輕質材料在電子裝備中的應用程度，有效挖掘材料在電子裝備輕量化工作中的價值所在。

2 輕量化設計

在電子裝備的整個研制過程中，輕量化工作應該貫穿始終，在系統(tǒng)設計、總體布局、硬件設計等環(huán)節(jié)要特別給予重視。

2.1 系統(tǒng)設計

在系統(tǒng)設計階段，頂層架構設計在綜合考慮使用需求、成本、技術可實現(xiàn)性等因素的基礎上，對系統(tǒng)功能、性能統(tǒng)一設計，提高系統(tǒng)的集成度，最大限度的減少系統(tǒng)設備的規(guī)模和數(shù)量。

采用標準化的硬件模塊和總線架構，通過功能綜合設計與集成，是提高系統(tǒng)集成度的有效途徑之一。這樣，可以大幅減小設備的種類和數(shù)量，將系統(tǒng)設計成一個通用化、模塊化的高度集成系統(tǒng)，采用一系列通用的、標準化、系列化的現(xiàn)場可更換模塊（LRM），通過組合和加載軟件，為系統(tǒng)功能實現(xiàn)提供軟/硬件平臺，充分實現(xiàn)軟、硬件資源的共享。

2.2 總體布局設計

機載電子裝備的眾多設備安裝到飛機平臺的有限空間內，無論艙內還是艙外，都必須開展總體布局設計。設計過程中，要充分考慮載機的重心平衡問題，盡量使總體布局合理，每個分系統(tǒng)設備應該盡量集中布置，分系統(tǒng)之間有電纜互連關系的設備要靠近布置，減少互接電纜的長度，同時合理布局線纜敷設路徑，保證線纜連接距離最短。

2.3 硬件設計

開展電子裝備具體硬件設備詳細的設計時，要采用先進的設計思想，并充分運用CAE，CAD等計算機輔助手段，采用多學科綜合優(yōu)化設計理論，在保證結構剛度和強度的前提下，追求最佳幾何尺寸，充分發(fā)揮結構效率，使整個電子裝備的硬件結構設計更加精確、合理，保證結構重量占比降到最低，有效降低設備重量。圖1所示為某操作臺優(yōu)化設計實例。

圖1 結構優(yōu)化實例

對于雷達等大型探測天線，其重量占整個電子裝備重量的比重較大，對這類設備的輕量化工作，直接影響整個裝備的減重效果，必須采取多種措施，充分開展結構設計。

對電子裝備與飛機平臺之間的接口，盡量采用一體化的設計思想，設計簡便可靠的連接方式，減少接口的結構預埋件與安裝件。在保證剛強度的前提下，盡量減少載機在電子裝備安裝位置處的改裝與補強工作，有效控制整機的重量。

3 新型材料

電子裝備的輕量化工作，除了需從系統(tǒng)架構上進行模塊級的高度綜合集成，從結構上進行最大程度的優(yōu)化設計外，新型材料的應用也會對裝備輕量化工作產(chǎn)生顯著影響。新型材料應用技術已成為電子裝備輕量化的關鍵所在。表1所示為當前幾種新型材料與傳統(tǒng)合金鋼、鋁合金材料的性能比較。

表1 結構材料性能比較

[材料＼&拉伸強

度 /MPa＼&拉伸模

量 /GPa＼&比強度

/（MPa/（g/cm3））＼&比模量

/（GPa/（g/cm3））＼&密度

[/（g/cm3）]＼&合金鋼＼&1 200＼&206＼&152.9＼&26.3＼&7.85＼&鋁合金＼&420＼&72＼&151.1＼&25.9＼&2.78＼&鈦合金＼&1 000＼&116.7＼&221.2＼&25.8＼&4.52＼&鎂合金＼&300＼&45＼&172.4＼&25.9＼&1.74＼&高模量碳/環(huán)氧樹脂＼&1 049＼&235＼&656＼&146.9＼&1.6＼&高強度碳/環(huán)氧樹脂＼&1 471＼&137.3＼&1014＼&94.7＼&1.45＼&]

3.1 鈦合金

鈦合金具有強度高、重量輕和優(yōu)異的耐腐蝕性，特別是比強度高、比剛度高，可設計，在航天航空、艦船、軍工等領域中獲得越來越廣泛的應用，是現(xiàn)代機載電子裝備設計中減輕結構重量的重要途徑。

3.2 鎂合金

鎂合金具有重量輕、吸震性能高、良好的鑄造和切削性能、高散熱性、高電磁擾屏障等優(yōu)點，尤其是Mg?Li合金，兼有強度、韌性和可塑性方面的優(yōu)勢。鎂合金化學鍍Ni?B產(chǎn)品目前已成功用于計算機、通信、消費類電子、軍工等諸多領域，是取代鋼鋁材的最佳選擇。

3.3 復合材料

先進復合材料是20世紀60年代崛起的一種新材料，目前在航空航天結構中獲得了廣泛的應用。先進復合材料具有比強度和比模量高、性能可設計和易于整體成形等優(yōu)異特性，對減輕飛機結構重量具有特殊重要的意義。目前飛機結構中主要使用的碳纖維復合材料，是以碳或者石墨纖維為增強體的樹脂基復合材料。碳纖維復合材料具有以下優(yōu)良的性能：密度小、比強度/比模量高，線膨脹系數(shù)低、良好的耐疲勞、耐化學腐蝕性和較高的熱穩(wěn)定性。復合材料的組件化、整體化設計可以大大減少零件數(shù)量，減少連接件和連接過渡區(qū)附加重量、減少裝配，是減輕結構重量的有效技術途徑。與常規(guī)金屬結構相比，碳纖維復合材料的減重效果可達20%～40%。

在電子裝備的研制過程中，依據(jù)具體設備的設計要求，合理選擇輕型材料，可以有效減輕重量。圖2所示為某型號機載電子裝備的綜合集成機架，整體采用碳纖維復合材料，重量只有16.6 kg，以前結構類似的鋁合金同類產(chǎn)品重量約30 kg，減重達44.67%。

圖2 碳纖維復材綜合集成機架

4 結 語

機載電子裝備日趨大型化、復雜化，其輕量化工作是一項系統(tǒng)工程，目前缺乏系統(tǒng)的理論研究，更多的是依靠工程經(jīng)驗，迫切需要建立完整的評價標準，后續(xù)還需要圍繞這些問題開展深入研究。

參考文獻

[1] 李興乾，白明生，茍仲秋，等.載人航天器系統(tǒng)重量控制方法研究[J].航天器環(huán)境工程，2012，29（2）：201?204.

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[3] 沈真.復合材料結構設計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[4] 王哲.飛機結構設計過程中重量控制[J].飛機設計，2001，3（1）：127?129.

[5] 郭風，王鵬，張恒喜，等.飛機機翼結構重量控制研究[J].航空維修與工程，2005，4（4）：81?82.

[6] 匡愛民.民用飛機重量控制方法研究[J].民用飛機設計與研究，2012（z1）：45?47.

[7] 張金平，李建新.星載雷達有源相控陣天線輕量化技術[C]//2009年全國天線年會論文集（上）.北京：電子工業(yè)出版社，2009：56?58.

圖1 結構優(yōu)化實例

對于雷達等大型探測天線，其重量占整個電子裝備重量的比重較大，對這類設備的輕量化工作，直接影響整個裝備的減重效果，必須采取多種措施，充分開展結構設計。

對電子裝備與飛機平臺之間的接口，盡量采用一體化的設計思想，設計簡便可靠的連接方式，減少接口的結構預埋件與安裝件。在保證剛強度的前提下，盡量減少載機在電子裝備安裝位置處的改裝與補強工作，有效控制整機的重量。

3 新型材料

電子裝備的輕量化工作，除了需從系統(tǒng)架構上進行模塊級的高度綜合集成，從結構上進行最大程度的優(yōu)化設計外，新型材料的應用也會對裝備輕量化工作產(chǎn)生顯著影響。新型材料應用技術已成為電子裝備輕量化的關鍵所在。表1所示為當前幾種新型材料與傳統(tǒng)合金鋼、鋁合金材料的性能比較。

表1 結構材料性能比較

[材料＼&拉伸強

度 /MPa＼&拉伸模

量 /GPa＼&比強度

/（MPa/（g/cm3））＼&比模量

/（GPa/（g/cm3））＼&密度

[/（g/cm3）]＼&合金鋼＼&1 200＼&206＼&152.9＼&26.3＼&7.85＼&鋁合金＼&420＼&72＼&151.1＼&25.9＼&2.78＼&鈦合金＼&1 000＼&116.7＼&221.2＼&25.8＼&4.52＼&鎂合金＼&300＼&45＼&172.4＼&25.9＼&1.74＼&高模量碳/環(huán)氧樹脂＼&1 049＼&235＼&656＼&146.9＼&1.6＼&高強度碳/環(huán)氧樹脂＼&1 471＼&137.3＼&1014＼&94.7＼&1.45＼&]

3.1 鈦合金

鈦合金具有強度高、重量輕和優(yōu)異的耐腐蝕性，特別是比強度高、比剛度高，可設計，在航天航空、艦船、軍工等領域中獲得越來越廣泛的應用，是現(xiàn)代機載電子裝備設計中減輕結構重量的重要途徑。

3.2 鎂合金

鎂合金具有重量輕、吸震性能高、良好的鑄造和切削性能、高散熱性、高電磁擾屏障等優(yōu)點，尤其是Mg?Li合金，兼有強度、韌性和可塑性方面的優(yōu)勢。鎂合金化學鍍Ni?B產(chǎn)品目前已成功用于計算機、通信、消費類電子、軍工等諸多領域，是取代鋼鋁材的最佳選擇。

3.3 復合材料

先進復合材料是20世紀60年代崛起的一種新材料，目前在航空航天結構中獲得了廣泛的應用。先進復合材料具有比強度和比模量高、性能可設計和易于整體成形等優(yōu)異特性，對減輕飛機結構重量具有特殊重要的意義。目前飛機結構中主要使用的碳纖維復合材料，是以碳或者石墨纖維為增強體的樹脂基復合材料。碳纖維復合材料具有以下優(yōu)良的性能：密度小、比強度/比模量高，線膨脹系數(shù)低、良好的耐疲勞、耐化學腐蝕性和較高的熱穩(wěn)定性。復合材料的組件化、整體化設計可以大大減少零件數(shù)量，減少連接件和連接過渡區(qū)附加重量、減少裝配，是減輕結構重量的有效技術途徑。與常規(guī)金屬結構相比，碳纖維復合材料的減重效果可達20%～40%。

在電子裝備的研制過程中，依據(jù)具體設備的設計要求，合理選擇輕型材料，可以有效減輕重量。圖2所示為某型號機載電子裝備的綜合集成機架，整體采用碳纖維復合材料，重量只有16.6 kg，以前結構類似的鋁合金同類產(chǎn)品重量約30 kg，減重達44.67%。

圖2 碳纖維復材綜合集成機架

4 結 語

機載電子裝備日趨大型化、復雜化，其輕量化工作是一項系統(tǒng)工程，目前缺乏系統(tǒng)的理論研究，更多的是依靠工程經(jīng)驗，迫切需要建立完整的評價標準，后續(xù)還需要圍繞這些問題開展深入研究。

參考文獻

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[7] 張金平，李建新.星載雷達有源相控陣天線輕量化技術[C]//2009年全國天線年會論文集（上）.北京：電子工業(yè)出版社，2009：56?58.

圖1 結構優(yōu)化實例

對于雷達等大型探測天線，其重量占整個電子裝備重量的比重較大，對這類設備的輕量化工作，直接影響整個裝備的減重效果，必須采取多種措施，充分開展結構設計。

對電子裝備與飛機平臺之間的接口，盡量采用一體化的設計思想，設計簡便可靠的連接方式，減少接口的結構預埋件與安裝件。在保證剛強度的前提下，盡量減少載機在電子裝備安裝位置處的改裝與補強工作，有效控制整機的重量。

3 新型材料

電子裝備的輕量化工作，除了需從系統(tǒng)架構上進行模塊級的高度綜合集成，從結構上進行最大程度的優(yōu)化設計外，新型材料的應用也會對裝備輕量化工作產(chǎn)生顯著影響。新型材料應用技術已成為電子裝備輕量化的關鍵所在。表1所示為當前幾種新型材料與傳統(tǒng)合金鋼、鋁合金材料的性能比較。

表1 結構材料性能比較

[材料＼&拉伸強

度 /MPa＼&拉伸模

量 /GPa＼&比強度

/（MPa/（g/cm3））＼&比模量

/（GPa/（g/cm3））＼&密度

[/（g/cm3）]＼&合金鋼＼&1 200＼&206＼&152.9＼&26.3＼&7.85＼&鋁合金＼&420＼&72＼&151.1＼&25.9＼&2.78＼&鈦合金＼&1 000＼&116.7＼&221.2＼&25.8＼&4.52＼&鎂合金＼&300＼&45＼&172.4＼&25.9＼&1.74＼&高模量碳/環(huán)氧樹脂＼&1 049＼&235＼&656＼&146.9＼&1.6＼&高強度碳/環(huán)氧樹脂＼&1 471＼&137.3＼&1014＼&94.7＼&1.45＼&]

3.1 鈦合金

鈦合金具有強度高、重量輕和優(yōu)異的耐腐蝕性，特別是比強度高、比剛度高，可設計，在航天航空、艦船、軍工等領域中獲得越來越廣泛的應用，是現(xiàn)代機載電子裝備設計中減輕結構重量的重要途徑。

3.2 鎂合金

鎂合金具有重量輕、吸震性能高、良好的鑄造和切削性能、高散熱性、高電磁擾屏障等優(yōu)點，尤其是Mg?Li合金，兼有強度、韌性和可塑性方面的優(yōu)勢。鎂合金化學鍍Ni?B產(chǎn)品目前已成功用于計算機、通信、消費類電子、軍工等諸多領域，是取代鋼鋁材的最佳選擇。

3.3 復合材料

先進復合材料是20世紀60年代崛起的一種新材料，目前在航空航天結構中獲得了廣泛的應用。先進復合材料具有比強度和比模量高、性能可設計和易于整體成形等優(yōu)異特性，對減輕飛機結構重量具有特殊重要的意義。目前飛機結構中主要使用的碳纖維復合材料，是以碳或者石墨纖維為增強體的樹脂基復合材料。碳纖維復合材料具有以下優(yōu)良的性能：密度小、比強度/比模量高，線膨脹系數(shù)低、良好的耐疲勞、耐化學腐蝕性和較高的熱穩(wěn)定性。復合材料的組件化、整體化設計可以大大減少零件數(shù)量，減少連接件和連接過渡區(qū)附加重量、減少裝配，是減輕結構重量的有效技術途徑。與常規(guī)金屬結構相比，碳纖維復合材料的減重效果可達20%～40%。

在電子裝備的研制過程中，依據(jù)具體設備的設計要求，合理選擇輕型材料，可以有效減輕重量。圖2所示為某型號機載電子裝備的綜合集成機架，整體采用碳纖維復合材料，重量只有16.6 kg，以前結構類似的鋁合金同類產(chǎn)品重量約30 kg，減重達44.67%。

圖2 碳纖維復材綜合集成機架

4 結 語

機載電子裝備日趨大型化、復雜化，其輕量化工作是一項系統(tǒng)工程，目前缺乏系統(tǒng)的理論研究，更多的是依靠工程經(jīng)驗，迫切需要建立完整的評價標準，后續(xù)還需要圍繞這些問題開展深入研究。

參考文獻

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[7] 張金平，李建新.星載雷達有源相控陣天線輕量化技術[C]//2009年全國天線年會論文集（上）.北京：電子工業(yè)出版社，2009：56?58.