机载电子装备轻量化设计初步研究

摘 要： 机载电子装备日益复杂化，飞机平台资源的有限性迫切要求其开展有效的轻量化工作。从系统顶层设计、总体布局、硬件设计、新型材料等方面论述了如何在机载电子装备研制过程中开展轻量化工作，对当前实际工程开展轻量化工作具有一定的指导意义。

关键词： 轻量化设计； 机载电子装备； 重量控制； 硬件设计

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 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

机载信息化武器装备是适应现代战争需要，为执行特定作战任务，对飞机平台进行改装，加载电子装备研制而成。飞机平台资源有限，加装的电子装备在功耗、空间等方面都受到苛刻的限制，尤其是重量（本文所述“重量”一词按标准规定应为“质量”，但为避免与习惯用法发生误解，本文仍用“重量”），不仅关系到载机的飞行性能与飞行安全，更直接影响整个机载武器装备的作战性能与战技指标发挥。电子装备轻量化就是在保证电子装备功能/性能的前提下，尽可能降低整个系统的重量，从而减少对平台的资源占用，其轻量化工作紧迫而意义重大，必须严格贯彻载机的重量控制要求，从顶层设计出发，通过资源共享、功能共用、模块化设计、大规模应用复合材料等手段，从根本上保证电子装备的功能与性能，减轻重量，并降低功耗、空间方面的需求。

1 电子装备轻量化评价指标

电子装备的轻量化程度与当前的技术发展状况紧密联系，轻量化工作是设计、工艺、材料技术集成的工程，受到多种学科、技术的发展制约。评价一套电子装备是否轻型，是否有潜力进一步降低重量，需要有一套评判指标。目前，针对电子装备的轻量化水平并没有明确的评价方法，无法判断电子装备进一步轻量化的潜力，因此，十分有必要开展电子装备轻量化评价指标体系的建立工作。本文初步提出以下两个参数作为评价指标，后续研究工作中会逐步补充完善：

（1） 结构重量占比。电子装备中的结构（除板卡、接插件、线缆等元器件之外的壳体、机箱、机架等）重量与整个电子装备总重量之比。这一参数可以在一定程度上代表电子装备在设计、工艺等方面技术先进度，可以反映出电子装备的结构质量利用率，进一步指出轻量化工作的方向。在航天领域，当此参数达到10%～15%后，一般认为轻量化潜力已不大，电子装备行业的相关数据尚有待开展统计分析。

（2） 轻质材料占比。轻质材料重量在整个电子装备总重量中的比例。轻质材料主要指可以取代钢、铝合金等常用材料的钛合金、镁合金、复合材料等，其特点是密度较小、刚度、强度较好。轻质材料占比这一参数可以很好的体现轻质材料在电子装备中的应用程度，有效挖掘材料在电子装备轻量化工作中的价值所在。

2 轻量化设计

在电子装备的整个研制过程中，轻量化工作应该贯穿始终，在系统设计、总体布局、硬件设计等环节要特别给予重视。

2.1 系统设计

在系统设计阶段，顶层架构设计在综合考虑使用需求、成本、技术可实现性等因素的基础上，对系统功能、性能统一设计，提高系统的集成度，最大限度的减少系统设备的规模和数量。

采用标准化的硬件模块和总线架构，通过功能综合设计与集成，是提高系统集成度的有效途径之一。这样，可以大幅减小设备的种类和数量，将系统设计成一个通用化、模块化的高度集成系统，采用一系列通用的、标准化、系列化的现场可更换模块（LRM），通过组合和加载软件，为系统功能实现提供软/硬件平台，充分实现软、硬件资源的共享。

2.2 总体布局设计

机载电子装备的众多设备安装到飞机平台的有限空间内，无论舱内还是舱外，都必须开展总体布局设计。设计过程中，要充分考虑载机的重心平衡问题，尽量使总体布局合理，每个分系统设备应该尽量集中布置，分系统之间有电缆互连关系的设备要靠近布置，减少互接电缆的长度，同时合理布局线缆敷设路径，保证线缆连接距离最短。

2.3 硬件设计

开展电子装备具体硬件设备详细的设计时，要采用先进的设计思想，并充分运用CAE，CAD等计算机辅助手段，采用多学科综合优化设计理论，在保证结构刚度和强度的前提下，追求最佳几何尺寸，充分发挥结构效率，使整个电子装备的硬件结构设计更加精确、合理，保证结构重量占比降到最低，有效降低设备重量。图1所示为某操作台优化设计实例。

图1 结构优化实例

对于雷达等大型探测天线，其重量占整个电子装备重量的比重较大，对这类设备的轻量化工作，直接影响整个装备的减重效果，必须采取多种措施，充分开展结构设计。

对电子装备与飞机平台之间的接口，尽量采用一体化的设计思想，设计简便可靠的连接方式，减少接口的结构预埋件与安装件。在保证刚强度的前提下，尽量减少载机在电子装备安装位置处的改装与补强工作，有效控制整机的重量。

3 新型材料

电子装备的轻量化工作，除了需从系统架构上进行模块级的高度综合集成，从结构上进行最大程度的优化设计外，新型材料的应用也会对装备轻量化工作产生显著影响。新型材料应用技术已成为电子装备轻量化的关键所在。表1所示为当前几种新型材料与传统合金钢、铝合金材料的性能比较。

表1 结构材料性能比较

[材料＼&拉伸强

度 /MPa＼&拉伸模

量 /GPa＼&比强度

/（MPa/（g/cm3））＼&比模量

/（GPa/（g/cm3））＼&密度

[/（g/cm3）]＼&合金钢＼&1 200＼&206＼&152.9＼&26.3＼&7.85＼&铝合金＼&420＼&72＼&151.1＼&25.9＼&2.78＼&钛合金＼&1 000＼&116.7＼&221.2＼&25.8＼&4.52＼&镁合金＼&300＼&45＼&172.4＼&25.9＼&1.74＼&高模量碳/环氧树脂＼&1 049＼&235＼&656＼&146.9＼&1.6＼&高强度碳/环氧树脂＼&1 471＼&137.3＼&1014＼&94.7＼&1.45＼&]

3.1 钛合金

钛合金具有强度高、重量轻和优异的耐腐蚀性，特别是比强度高、比刚度高，可设计，在航天航空、舰船、军工等领域中获得越来越广泛的应用，是现代机载电子装备设计中减轻结构重量的重要途径。

3.2 镁合金

镁合金具有重量轻、吸震性能高、良好的铸造和切削性能、高散热性、高电磁扰屏障等优点，尤其是Mg?Li合金，兼有强度、韧性和可塑性方面的优势。镁合金化学镀Ni?B产品目前已成功用于计算机、通信、消费类电子、军工等诸多领域，是取代钢铝材的最佳选择。

3.3 复合材料

先进复合材料是20世纪60年代崛起的一种新材料，目前在航空航天结构中获得了广泛的应用。先进复合材料具有比强度和比模量高、性能可设计和易于整体成形等优异特性，对减轻飞机结构重量具有特殊重要的意义。目前飞机结构中主要使用的碳纤维复合材料，是以碳或者石墨纤维为增强体的树脂基复合材料。碳纤维复合材料具有以下优良的性能：密度小、比强度/比模量高，线膨胀系数低、良好的耐疲劳、耐化学腐蚀性和较高的热稳定性。复合材料的组件化、整体化设计可以大大减少零件数量，减少连接件和连接过渡区附加重量、减少装配，是减轻结构重量的有效技术途径。与常规金属结构相比，碳纤维复合材料的减重效果可达20%～40%。

在电子装备的研制过程中，依据具体设备的设计要求，合理选择轻型材料，可以有效减轻重量。图2所示为某型号机载电子装备的综合集成机架，整体采用碳纤维复合材料，重量只有16.6 kg，以前结构类似的铝合金同类产品重量约30 kg，减重达44.67%。

图2 碳纤维复材综合集成机架

4 结 语

机载电子装备日趋大型化、复杂化，其轻量化工作是一项系统工程，目前缺乏系统的理论研究，更多的是依靠工程经验，迫切需要建立完整的评价标准，后续还需要围绕这些问题开展深入研究。

参考文献

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