​电气系统设计和集成

按照后进后出的原则，无论是设计卡车、卫星、船舶、火箭、火车还是飞机，电气线束的设计都是最后一步。这是因为线束的设计和安装要求都有待所有其他工程学科的完成。

每一个新项目的开始都需要有一个感觉性需求，以及一个愿意并急于消费该需求的市场。一个新项目包含多个来源的多种投入，这些投入是塑造和确定最终产品所必需的。有些投入出现在新项目的前期，而有些则是在项目发展过程中出现。并非所有初始投入都能全程保持不变。变化无时不在，大多数变化发生在程序设计和验证阶段， 并且必将会在最终产品中有所体现。

随着开发过程的展开，系统设计传递到布线设计， 最终传入物理线束。以前，线束的实现是以 “经由路径” 形式的高层次概念开始的。随着系统级组件的位置、支撑结构和其他平台安装程序的逐渐成熟，该概念也逐渐成熟。

设计流程中的每一个变化都会影响电气线束的设计。这可能包括组件位置的改变、系统集成或其他 干扰原先线束的添加物。此外，随着当今 E/E 系统内容的不断增加， 布线和线束的内容也在不断增加， 开发线束的复杂性和管理变化的难度不断加大，使得传统的互不相关的设计工具和方法无法再 满足需求。

设计流程困难重重，给整个项目的进度和预算带来了巨大压力，特别是线束设计团队。了解开发过程的基本情况和关键因素，并在方案规划中考虑到设计趋于成熟的过程中必然出现的迭代，有助于确定一条成功之路。

本白皮书讨论了在日益复杂的环境中开发线束的关键因素，包括规划、线束内容设计和安装方面的注意事项。先进的 E/E 系统设计工具和方法是成功的关键。

任何新项目的发展都是从平衡相互矛盾的目标开始， 如设计目标、建造成本和试飞时间表。客户满意度、性能特征和运营成本等带来积极市场差异化的因素也同样重要。满足这些目标需要在整个过程中进行复杂的权衡，直到获得飞机型式认证。深入了解、妥善计划并做好万全准备，有助于防止期望过高，并且有助于团队保持专注，全力应对即将到来的挑战。

大多数项目的主要目标均是实现产品的市场差异化。实现这一点的一个方法就是采用前所未有的技术，提高安全性、可靠性和乘客舒适度，并减少制造工作， 以降低可触摸人工成本。这些综合性的市场界定因素有助于所设计的飞机从具有相同操作特性的飞机中脱颖而出。

虽然采用新技术会使您的产品与众不同，但也可能会增加风险和扩大项目范围，从而最终加大认证工作的难度。建议在制定整体计划时慎重考虑此类额外成本。

管理直接控制下的任务本就令人望而生畏，如设计、建造、试飞和制造等，再加上直接控制之外的可交付成果，更是令人倍感压力。例如监督一级供应商， 管理其他供应商群，配合认证机构和检测机构的工作，以及应对不断变化的监管要求等。这些因素必须加以管理，否则会影响项目整体成功的关键路径。

同样重要的是，要了解和规划方案设计每个阶段的相关工作，确定人员配备水平和所需技能组合，并确保这些资源及时到位，以便进行充分培训。

在监管方面，认证水平是由多项因素驱动的，如飞机大小、货机还是客机、乘客数量、商用还是军用以及认证机构的位置，如 FAA、EASA 和 CAA。这些因素决定着监管要求，而监管要求推动着您的设计。

最后，经常被忽视的一点是做出改动的迫切愿望或需要，这是线束设计过程的更大推动力。在项目执行过程中，必须谨慎管理这一因素。关于改动，航空业有一条公理，即：“更好是足够好的敌人。” 换句话说， “足够好” 符合监管要求，这是我们这个行业来之不易的经验，而 “更好” 则往往是不必要的改动，只会拖延计划，增加成本。

权衡改动的愿望往往是一件难事，会招致许多反对的声音。设计或监管要求的任何变化都会产生连锁反应，涉及从系统设计到线束实现的整个过程。任何成功的线束开发计划都必须考虑变化的不可避免性和影响。

开发成功的线束设计的第一步，是分离电气内容和 信号类型以及布置线束路径。这些路径对线束系统 的安全和合规设计至关重要，就像任何大型城市的 街道规划一样，由用于客运和货运的州际公路、地 方公路和城市街道组成。就飞机而言，线束是控制 飞行和乘客舒适度的所有系统信号的通道。每条路

径都会根据其环境位置、信号类型和重要性，选择适当的、符合要求的组件。

在设计流程的早期，整个产品和电气系统的设计是不断变化的。因此，线束路径的布局最初是以有据可依的评估为基础，并参照预先确定的组件位置、需要单独分离考虑的所有信号类型所需的线束数量、结构路径（包括大小合适的引线）以及预先确定的线束断开点（如需要）。随着飞机设计的成熟，线束设计需要加以相应修改。

初始路径确定下来之后，随着飞机系统的成熟，线 束的复杂性会进一步显现。线束的最终内容和安装 要求取决于其安装位置以及和其他飞机组件和系统 的距离远近。以下是可能影响线束路径和组件内容 的设计考虑因素：

● 会相对于彼此发生运动的组件

● 冗余系统分离，其中某个部件出现故障不会对该冗余系统的所有线束构成威胁

● 足够的布线空间，这样才能在同一物理空间内安全安装所有线束和组件

● 是否便于对每个线束进行检查和维护

● 生热组件

● 有内部冷却风扇的组件，一旦移位会对直接处于风扇叶片路径上的各个线束构成危险

● 飞机系统内部和外部的液体

● 稳态和动态温度 / 环境波动，包括海拔高度

●  振动和 / 或震动水平

设计前需要合理预见这些考虑因素，而且重要的是， 需要有效的设计工具以及能够使用这些设计工具的多样化和高技能团队。我们还建议团队要熟知合规需求，了解如何选择适当的线束组件，知晓可接受的线束安装方法，以满足上述要求。

待系统结构和组件位置成熟后，即可开始设计线束内容。设计过程首先从单个原理图或系统要求开始，要确定电压、电流水平、信号类型和任何其他 特殊设计或安装要求，例如：

●  压差水平

●  数据速率

●  信号损失预算

●  电缆和插头阻抗匹配

●  屏蔽

●  组件处的终端要求

使用现代电气设计工具可以支持实时互动性设计检 查和初步分析，从而加速这一过程。这可以极大地 帮助设计团队避免因人工或延迟发现设计缺陷而造成的反复出错和返工， 特别是在产品生命周期后期。

待原理图完成后，下一步即是确定布线图或整机要求。布线图指定了系统及其各个接线盒实现电气化所需的接线和连接组件。而这就是设计的复杂之处。布线设计和物理实现需要考虑到平台的许多方面，包括组件之间的距离、飞机位置 / 断开点、每段线必须通过的飞机区域、每段线传到相应组件的信号类型、电线尺寸和电线最终所在具体线束的确定。一个飞机系统可能需要一个专用线束，也可能与其他飞机系统共用多个线束。

在该过程中，一个更为复杂的标准是各个线束组件的选择。每个组件一般都属于某个更高级别的零件族， 如果是军用规格或 MIL-SPEC 零件，还要符合某个规范。在一个既定零件族中，如电线或插头零件族，设

计定义不同的组件是各不相同的。组件的实际设计定义会根据其使用方式和位置而有所变化。

例如，一个插头零件族的外壳材料可能是铝、不锈 钢，也可能是复合材料。还可以从外壳的镀层材料、耦合机制（螺旋式或卡口式）、是否具有环保涂层等方面进一步区分。外壳材料、镀层、耦合机制和环保要求的结合均为专门设计，能够在各种特定环保和系统驱动的要求下发挥作用。

属于 MIL-SPEC 和属于商用规格的零件也迥然不同， 每一种都需要根据飞机的认证级别来确定是否合规。

如今，新平台的电气内容增长十倍的情况已成为常态。这就造成了一种难以处理的情况。当设计完成后，各种零件编号的数量可以上升到几百个，并在整个线束系统中重复上千次。能否解决这一问题对于全面成功至关重要，而现代设计工具的使用为此提供了越来越多的价值。

在选择线束组件时，构成该线束的各个零件也很关键。选择时必须明白，线束的预期使用寿命 “ 通常不低于飞机结构的预期使用寿命” 1。换言之，线束的使用寿命必须长于飞机的使用寿命，即通常不少于 20 年，而线束 “电气化” 的接线盒或组件的设计平均无故障时间 (MTBF) 为 5 到 7 年， 因此可以在不替换线束的情况下进行替换。明智选择组件。

线束安装的设计可能和线束部件的选择同样复杂。每个线束及其承载的信号都可以并将在多个环境区 传输，而每个区都有独特的安装和组件要求。在多 个区域传输的信号也需要选择电线、连接装置和包 覆物，以 “具有与其预期功能相符的种类和设计”。2 线束及其内容不仅要考虑环境和系统功能要求， 还必须考虑以下因素：

●  和其他组件的距离远近，包括：

    – 会相对于线束发生运动的组件

    – 生热组件

    – 有内部冷却风扇的组件，一旦移位会对直接处于风扇叶片路径上的各个线束构成危险

    – 携带液体或气体的组件

●  分离信号类型，如数字音频、关键系统、模拟信号以及电压 / 电流水平

●  线束会接触到的飞机系统内部和外部的液体

●  稳态和动态温度波动，包括海拔高度

●  振动和 / 或震动水平

●  冗余系统分离，其中某个部件出现故障不会对该冗余系统的所有线束构成威胁

●  线束折弯半径

●  与其他部件或结构的摩擦

●  可能导致油箱起火的隐性线束支撑失效

●  是否便于对每个线束进行检查和维护

●  不允许有可能被误接到错误配接对的插头

上面列出的每一项都需要适当的设计考虑，并且必须满足认证计划中所列法规的意图。安装时必须考虑的一个关键方面是，与所有其他也试图安装设备、电缆和液体输送线的设计学科形成的 “空间竞争”。这种竞争要求飞机的每个区域都有一个 “区域经理”，像交警那样确保所有组件的安全和可重复安装，包括电气线束。

此外，线束安装设计必须考虑这种设计是否可以重复，或技术人员能否每次都精准安装线束。沿着线束设置的磁带标记正在成为商业市场的首选方法，但对于军用飞机则是 “必做事项”。这些沿着线束有策略地放置的标记表示关键的安装夹持点，有助于确保安装正确。

尽管在想象航空航天领域的未来创新时，布线并非 您最先想到的话题，但是您所能想到的那些系统， 都是由历来不为人知或不受重视的布线控制和推动 的。随着新型和创意产品开发的涌现，如混合动力 / 电动飞机、电动垂直起降飞机 (eVTOL) 或为家庭和企业提供货物和服务的专用无人机，要在这些新的 运输媒介中安全传输数据和电力，也需要能够满足 不断变化的监管要求的解决方案，反过来这又能促 进世界的安全和稳定发展。

人们对旅行和便利性的追求永无止境，通过电气系统在整个平台上传输更多数据的机会也不断增加。在可预见的未来，“旧瓶装新酒” 和锐意创新的机会也不会减少。

更为困难的任务不是传输更多数据，而是设法应对 线束采用的材料更加多样化所带来的复杂性。不仅 如此，还要保证满足线束的监管要求。未来线束系 统的复杂性已经浮现，其物理和信号内容的管理已 经超出了人类设计师的能力范围。计算机辅助的绘 图工具已无法胜任这一任务。

现在，人们迫切需要一种先进的、互联互通的设计 工具。因此，数字化双胞胎等数字化技术的使用将 越来越普遍。电气设计师的工具将需要更多权限管 理各种事项，如线束路径、安装和支撑要求、允许 的信号类型、电压降分析、电流和负载分析、安全 分析和取决于环境的材料选择等。目前有一种工具 可以完成上述任务，还可以生成必要报告，以证明符合飞机的合格审定基准。这是一种可扩展的工具，其功能可以随着所管理的数据同步增加。该工 具就是西门子的 E/E 系统设计环境，它能应对日益增长的复杂性，积极拥抱未来创新。

创新之潮已经兴起，而 E/E 系统设计早已走在了队伍的前列。面向航空航天和国防领域 (A&D) 的西门子E/E 系统开发解决方案内含 Capital 软件产品套装。由于在电气系统设计和集成方面备受挑战，因此A&D OEM 及其供应商必须采用数字化集成、可扩展且易于盈利的方法来降低项目和业务风险。Capital 提供了一个基于模型的企业 (MBE) 解决方案，可以充分利用数字数据的连续性，涵盖整个电气系统价值链。

坚守设计和适当规划的基本原则不仅是成功的关键， 还能更多、更有力地专注于电气系统、布线内容和相关线束的设计。

迈向未来的旅途令人无限憧憬，而线束及其相关系统无疑是其中的关键一步。电气系统设计和集成促进了对今日 A&D 工业巨大潜力的 “驾驭”。采用先进的线束系统设计，拥抱一切变化和性能，已是大势所趋。