Конструкторско-технологическое обеспечение эксплуатационной надежности авиационного радиоэлектронного оборудования: Учебное пособие

ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ

Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñòðîåíèÿ

Е. С. Дмитриевский

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АВИАЦИОННОГО РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ Учебное пособие

Ñàíêò-Ïåòåðáóðã 2001

УДК 621.396 Д53 Дмитриевский Е. С. Д53 Конструкторско-технологическое обеспечение эксплуатационной надежности авиационного радиоэлектронного оборудования: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2001. 88 с: ил. Излагаются вопросы обеспечения эксплуатационной надежности средств управления воздушным движением с позиции их проектирования и технического обслуживания.

Рецензенты: кафедра конструирования и управления качеством радиоаппаратуры СПбГУАП; заслуженный деятель науки, доктор технических наук, профессор Л. Е. Овчинников

Óòâåðæäåíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ

2

©

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2001

©

Е. С. Дмитриевский, 2001

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основным показателем качества средств обеспечения полетов (СОП) является надежность. Надежность средств закладывается на этапах проектирования и изготовления и в наибольшей степени проявляется на этапах эксплуатации. В настоящей работе описаны методы обеспечения высокой эксплуатационной надежности систем. Изложение материала ведется с позиций системного подхода. Вслед за изложением вопросов влияния климатических и механических факторов на надежность радиоаппаратуры описываются методы повышения надежности элементов и систем, способы обеспечения эксплуатационной надежности. Особое место в этом разделе занимают вопросы показателей надежности систем со структурной избыточностью. Технологические аспекты обеспечения эксплуатационной надежности представлены стратегиями технического обслуживания по наработке и по состоянию. В пособии излагаются также вопросы обеспечения стойкости и устойчивости авиационного радиоэлектронного оборудования при температурах и механических воздействиях. Элементные и конструктивные основы обеспечения эксплуатационной надежности представлены применением интегральных микросхем и типовых элементов замены на базе функциональной микроэлектроники. При изложении материала автор руководствовался требованиями государственного образовательного стандарта по специальностям 2013 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования», 1310 «Техническая эксплуатация электрофицированных и пилотажно-навигационных комплексов» и по направлению 5520 — «Эксплуатация авиационной и космической техники».

3

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ АВИАЦИОННОГО РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.1. Возникновение проблемы надежности Современный уровень развития техники характеризуется комплексной разработкой сложнейших систем управления и возрастающим применением средств радиоэлектроники во всех отраслях народного хозяйства, науки и техники. Прогресс современной техники, расширение круга задач, возложенных на системы управления, высокие требования к точности, помехозащищенности, быстродействию привели к усложнению электронной аппаратуры к созданию сложнейших систем, предназначенных для решения целого ряда ответственных задач. Следует учитывать, что усложнение аппаратуры резко снижает надежность современного радиоэлектронного оборудования. При этом низкая надежность приводит к тому, что стоимость эксплуатации радиоэлектронного оборудования в течение одного года иногда в несколько раз превышает стоимость самого оборудования. Важность выполняемых радиоэлектронной аппаратурой задач делает часто отказ в работе событием чрезвычайным, а в некоторых случаях и опасным, например, при использовании аппаратуры в медицине, в военном деле, при космических исследованиях, на транспорте и др. Особое место в этом ряду занимает авиационное радиоэлектронное оборудование (АРЭО), на базе которого строятся системы организации и управления воздушным движением, системы навигации и посадки воздушных судов. Последствия отказов таких систем огромны. Надежность не только резко снижает эффективность использования радиоэлектронной техники, но и приводит к огромным экономическим потерям, к неоправданному повышению стоимости эксплуатации и тормозит дальнейшее использование средств радиоэлектроники. Возникновение проблемы надежности обусловлено, главным образом, следующими причинами: ростом сложности электронной аппаратуры; отставанием качества элементов радиоэлектроники от их количественного применения; повышением ответственности функций, выполняемых аппаратурой; наличием человека-оператора (полным или частичным) при выполнении аппаратурой своих функций; сложностью условий, в которых эксплуатируется аппаратура. 4

Все это свидетельствует о том, что обеспечение надежности работы радиоэлектронной аппаратуры является важной задачей. 1.2. Основные понятия и определения Эксплуатация предусматривает наличие, с одной стороны, человека (оператора), с другой – объекта эксплуатации (машина, аппарат, система и т. п.), над которым оператор должен совершить определенные действия для получения необходимых результатов. В техническом плане эксплуатацию можно рассматривать как процесс использования (управления) оператором объекта для достижения заданного результата. Составной частью объекта является элемент. Это также достаточно широкое понятие, зависящее от содержания, вкладываемого в понятие «объекта». Если объектом является система, то элементами его будут отдельные подсистемы и устройства. Если объектом является аппарат, то элементами его будут узлы и отдельные детали. Как процесс, эксплуатация должна характеризоваться временем и местом действия. Процесс эксплуатации охватывает весь период существования объекта с момента его изготовления. Окончание эксплуатации объекта определяется его предельным состоянием, т. е. состоянием, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена изза неустранимого нарушения требований безопасности, неустранимого ухода параметров за установленные пределы, неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, необходимости проведения среднего или капитального ремонта или при технико-экономической нецелесообразности дальнейшей эксплуатации объекта. Признаки предельного состояния задаются нормативно-технической документацией на объект. Если объект подвергается среднему или капитальному ремонту, то после его окончания эксплуатация объекта продолжается. Так как объект эксплуатируется в различных условиях, то необходимо знать возможные результаты влияния этих условий на качество функционирования объекта. Помимо внешних факторов на поведение объекта будут влиять особенности его конструирования, изготовления и наладки. Исследование поведения объекта во время эксплуатации и оценка его эксплуатационных качеств составляет предмет теории надежности. Вопросами взаимодействия системы “оператор-объект” при эксплуатации занимается наука эргономика. 5

В процессе эксплуатации объект может находиться в различных состояниях. Состояние объекта характеризуется степенью соответствия требованиям или параметрам, устанавливаемым нормативно-технической документацией на него. Все требования можно подразделить на две группы: основные, определяющие способность объекта выполнять заданные функции (как правило, к ним относятся параметры), и второстепенные, определяющие удобство работы, внешний вид, характер окраски и т. п., непосредственно не влияющие на выполнение объектом заданных функций. В зависимости от степени соответствия объекта той или иной группе требований различают состояния: исправное и неисправное, работоспособное и неработоспособное. Исправным состоянием называют состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией. Если в данный момент времени объект не соответствует хотя бы одному из этих требований, то он находится в неисправном состоянии. Следует подчеркнуть, что неисправность объекта еще не означает, что он не может выполнить заданные функции. Работоспособным состоянием называют состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. Если хотя бы один из заданных параметров объекта, характеризующих способность выполнять заданные функции, не соответствует этим требованиям, то он находится в неработоспособном состоянии. Изделие может быть исправным, но в какой-то период времени находиться на складе, транспортироваться и т. п., т. е. быть в неработоспособном состоянии. Объект характеризуется рядом свойств, определяющих его пригодность выполнять заданные функции. Важнейшим из них является надежность. Надежность – свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания ремонтов, хранения и транспортировки. Это сложное свойство объединяет безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость объекта. В зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации надежность может включать все эти свойства или их сочетание. 6

Переход объекта из одного состояния в другое называется событием. Событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта или его составных частей вследствие влияния внешних воздействий, превышающих уровни, установленные в нормативно-технической документации на объект, и в переходе его в неисправное состояние, называют повреждением или неисправностью. Событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта, называют отказом, что является одним из важнейших понятий теории надежности. Следует различать отказ объекта и отказ элемента объекта. Ввиду сложной природы отказов теория надежности дает достаточно широкую их классификацию. Объекты бывают восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми. Под восстанавливаемым подразумевают объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации. Объект, не подлежащий восстановлению в данной ситуации, называют невосстанавливаемым. Ремонтируемым называют объект, исправность и работоспособность которого в случае возникновения отказа или повреждения подлежит восстановлению. Объект, у которого исправность и работоспособность не подлежит восстановлению, называется неремонтируемым. При оценке надежности объекта необходимо знать способ соединения составляющих его элементов. Соединение элементов с точки зрения надежности, как правило, не соответствует их электрической схеме соединения, так как оно осуществляется, прежде всего, с учетом влияния каждого элемента на работоспособность всего объекта. Различают следующие соединения элементов надежности: последовательное, параллельное и смешанное. Таким образом, надежность объекта рассматривается во времени и зависит от качества его конструирования, изготовления и организации эксплуатации. Конструирование как инженерная деятельность есть процесс поиска нахождения и отражения в конструкторской документации формы, размеров и состава изделия, входящих в него деталей и узлов, используемых материалов, комплектующих изделий, взаимного расположения частей и связей между ними, указаний на технологию изготовления. Поиск основан на логико-математическом выборе устойчивых компромиссов для удовлетворения противоречивых требований технического задания на разработку изделия по назначению и надежности с учетом 7

ремонтопригодности и свойств системы человек-машина при использовании материалов и комплектующих изделий, свойства которых ограничены рамками паспортных данных. 1.3. Технические требования Технические требования на разработку АРЭО состоят из общих и специальных. К общим техническим требованиям относятся такие, которые не зависят от специфики назначения или эксплуатации. Они являются установившимися для любой РЭА данного класса и оговариваются в различных руководящих технических материалах, ведомственных нормалях и т. п. К специальным техническим требованиям относятся такие, которые оговаривают особенности функционирования и условия эксплуатации. Эти требования указываются в ТЗ на разработку. Общие технические требования, в свою очередь, делятся на эксплуатационные и конструкторско-технологические. Эксплуатационные требования оговаривают обеспечение параметров изделия с заданной точностью и безотказность работы в течение определенного времени при заданных условиях эксплуатации, основными из которых являются: оперативность обслуживания, отражающая возможность быстрого ремонта аппаратуры, минимальные временные и стоимостные затраты на запуск в работу и эксплуатацию; удобство обслуживания, которое достигается хорошим доступом к блокам и регулируемым параметрам, наличием встроенного контроля, четким комплектованием запасными элементами и приборами; безопасность обслуживания; длительность срока службы и сохранности; устойчивость параметров аппаратуры к воздействию различных дестабилизирующих факторов; нормальный тепловой режим работы аппаратуры; внешний вид аппаратуры, учитывающий правила технической эстетики, простоту и строгость формы, сочетание цветов окраски, правила эргономики; минимальные габариты и масса, удобство транспортировки. Основными конструкторско-технологическими требованиями являются: 8

взаимозаменяемость блоков и электрических элементов, отдельных узлов и деталей конструкции; максимальная типизация и унификация приборов, блоков узлов, использование модульных принципов конструирования; максимальное сокращение номенклатуры элементов, материалов, полуфабрикатов; минимальная материалоемкость, удобство сборки, возможность механизации и автоматизации производственных процессов; простота изготовления, сборки и регулировки. Обязательным условием высококачественной разработки при выполнении общих эксплуатационных и конструкторско-технологических требований является реализация общих требований по назначению, которые затрагивают широкий круг вопросов: функциональное назначение (прием, передача, обработка сигналов, индикация и др.); значение параметра (мощность излучения, мощность потребления, частота, чувствительность и др.); класс, к которому относится объект установки (бортовой, наземный для подвижных объектов, наземный стационарный и др.); климатическое исполнение (по ГОСТ 6019-78); категория размещения на объекте (пять укрупненных и шесть дополнительных категорий); массогабаритные характеристики (масса, габаритные и присоединительные размеры); закрепление на объекте (жесткое, быстросъемное, на амортизаторах и др.); коммуникационные сети на объекте (сети питания, сети антенных кабелей, вентиляционные сети и др.); электромагнитная защита на объекте (экранирование, устранение наводок, в том числе по цепям питания и др.). 2. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

2.1. Условия эксплуатации АРЭО Наиболее общей причиной нарушения надежности АРЭО является изменение параметров измерения под действием физико-химических процессов, скорость протекания которых связана с климатическими факторами, с механическими воздействиями, с перегревом внутри изде9

лия, а также с выбранными материалами, покрытиями и принятыми конструктивными решениями. Интенсивность дестабилизирующих воздействий определяется, прежде всего, условиями эксплуатации АРЭО, которые нужно учитывать при проектировании. Климатические воздействия определяются, прежде всего, давлением, температурой и влажностью воздуха. Их принято считать нормальными, если температура воздуха находится в пределах 15–25 °С, относительная влажность – 4–75% и давление воздуха – 650–800 мм. рт. ст При оценке влияния климатических условий на работу радиоаппаратуры принято различать следующие типы климатов: умеренный, холодный, жаркий сухой и жаркий влажный. В соответствии с типом климата нормальны следующие основные виды климатических воздействий: воздействие температуры, тепловые удары, влажность, давление, пыль, солнечная радиация. Опыт эксплуатации показывает, что в основном АРЭО работает при температуре –60…+60 °С. Однако прямое воздействие солнечных лучей на блоки аппаратуры может существенно изменить температуру внутри них по сравнению с температурой окружающего воздуха, которая может отличаться на 12–35 °С в зависимости от окраски блоков. При повышенной температуре протекают следующие деградационные процессы: высыхание и пересыхание защищенных покрытий с деформацией или растрескиванием, миграция примесей в полупроводниках, изменение электрических характеристик, деформация сопряженных деталей с различным температурным коэффициентом расширения. При конструировании РЭА следует учитывать, что температурный режим работы радиоаппаратуры обуславливается как поступлением тепла извне, так и выделением его термоактивными элементами внутри блока. Низкая температура внутри блока определяется только температурой атмосферы. Деградационные процессы в конструкции АРЭО при пониженной температуре связаны с конденсацией влаги, изменениями электрических характеристик, деформацией сопряженных деталей. Работоспособность аппаратуры определяется допустимым температурным диапазоном работы ее элементов. Внутри этого диапазона аппаратура должна сохранять работоспособность во включенном, т. е. в рабочем состоянии. Этот диапазон определяется интервалом рабочих температур, характеризующих требования к конструкции по термоустойчивости. Требования по термостойкости определяются предельными температурами. Они отражают способность аппаратуры, находящейся 10

в неработоспособном состоянии, переносить температурные воздействия (тепло – и холодопрочность). Верхние и нижние значения температуры атмосферы при эксплуатации, а также температуры воздуха при хранении и транспортировании аппаратуры разделяют по степеням жесткости. Тяжелые температурные условия работы осложняются трудностями охлаждения с учетом малой массы и габаритных размеров. Условия охлаждения аппаратуры на больших высотах ухудшаются из-за уменьшения теплоемкости воздуха. Для облегчения теплового режима применяют различные системы охлаждения, усложняющие техническую эксплуатацию радиооборудования, а также термостатирование, термокомпенсацию и термоизоляцию. Другими факторами, определяющими климатические условия, являются давление и влажность воздуха. В условиях пониженного атмосферного давления работает РЭА, эксплуатируемая в горной местности. Пониженное атмосферное давление не только ухудшает условия охлаждения, но и приводит к увеличению проводимости воздуха, что в определенных условиях может вызвать электрические пробои. Перемена давления вызывает изменение диэлектрической проницаемости воздуха и, как следствие, изменение настройки резонансных контуров, что приводит к уходу резонансных частот генераторов, изменению полос пропускания приемных устройств и другим вредным последствиям. Влага, проникающая в радиоаппаратуру, вызывает коррозию металлических деталей, понижает сопротивление изоляции диэлектриков, способствует образованию грибковых образований. В этом состоит основная причина отказов трансформаторов и деталей. В конденсаторах наблюдается увеличение емкости и уменьшение сопротивления потерь; в резисторах – уменьшается сопротивление изоляции и разрушается токопроводящий слой. Под действием влаги ускоряются процессы старения в конструкционных материалах. Главной мерой предохранения РЭА от воздействия давления и влаги является герметизация блоков и узлов, применение специальных влагозащитных покрытий, специальных влагопоглотителей. Одно из опасных воздействий на РЭА – механические нагрузки, возникающие при транспортировке и работе. Удары и вибрации приводят к повреждениям аппаратуры, обрывам проводов, разрушению крепежных соединений, нарушению регулировок. Для работы АРЭО особенно опасны вибрации в диапазоне частот 15–150 и 175–500 Гц. В первом случае возможны резонансные явления в элементах конструкции, а во 11

втором – резонансные колебания электрических элементов. Мерами борьбы с механическими перегрузками являются применение различного рода амортизирующих устройств и рациональное размещение блоков в местах с наименьшими перегрузками. На работу РЭА существенное влияние могут оказывать солнечная радиация, электромагнитные и радиационные излучения. Длинноволновая часть спектра солнечного излучения приводит, в основном, к нагреванию блоков, а коротковолновая оказывает фотохимическое воздействие, что способствует старению материалов, потере упругости, прозрачности и цвета. Мощное электромагнитное излучение может привести к нарушению электромагнитной совместимости РЭО, к перегрузкам входных каскадов приемных устройств, к пробою и выгоранию кристаллических смесителей. Радиационное излучение особенно опасно для аппаратуры, выполненной на полупроводниковых приборах и интегральных схемах, так как приводит к изменению их характеристик. Нежелательные изменения параметров РЭА могут быть вызваны наличием вредных примесей в воздухе: пыли, паров, кислот, соли и т. п. При проектировании и эксплуатации АРЭО следует учитывать действие различных биологических факторов и возможное присутствие в процессе эксплуатации грызунов. Конкретные меры защиты аппаратуры от различных механических и климатических воздействий необходимо применять с учетом вида, типа аппаратуры, норм жесткости, оговоренных в нормативно-технической документации. 2.2. Методы повышения надежности элементов Надежность радиоэлектронной аппаратуры в значительной степени зависит от надежности используемых в ней элементов. Если элементы обладают невысокой надежностью, меры, которые принимаются для обеспечения надежности систем, будут мало эффективны. Поэтому к надежности элементов предъявляют очень высокие требования. Элементы современных радиоэлектронных приборов представляют собой сложные и весьма совершенные технические устройства. Их характеристики зависят от тонких физических процессов, технология их производства весьма сложна и совершенна. Обеспечение высокой надежности этих элементов требует использования высококачественных исходных материалов, поддержания весьма высокого уровня вакуумной гигиены при изготовлении, прецизионного ведения сложнейших технологических процессов производства. 12

Рассматривая проблему обеспечения надежности элементов, следует учитывать, что она состоит из двух частей: обеспечение собственной надежности самих элементов и обеспечение надежности работы элементов в аппаратуре. На элементы РЭА постоянно воздействуют внешние и внутренние эксплуатационные факторы. К первым относятся: температура, влажность, давление и химический состав среды, радиация и другие факторы, влияющие на элементы независимо от того, работают они или нет. Ко вторым факторам относятся напряжения и токи установившихся и переходных режимов работающих элементов и возникающее в связи с этим выделение в элементе тепла, образование электрических и магнитных полей, механические нагрузки. Из-за воздействия эксплуатационных факторов в материалах элементов протекают различные физико-химические процессы, в результате которых возникают обратимые и необратимые изменения в материалах. Обратимые изменения обусловлены обменом материала элемента с внешней средой за счет сорбции и десорбции, температурными изменениями свойств материала и другими явлениями. Необратимые изменения вызываются протеканием в материалах химических реакций, проникновением в них различных веществ из внешней среды, развитием микротрещин в структуре материала и другими процессами. Накопление изменений в материалах приводит к изменению их свойств, параметров элементов и, в конечном счете, к появлению постепенных и внезапных отказов, которые отличаются друг от друга скоростью накопления изменений. Таким образом, существует причинно-следственная связь последовательности событий, приводящих к отказам элементов. На этапах разработки и производства элементов закладывается определенный уровень их надежности, характеризуемый значениями показателей надежности. Определение этих показателей производится статистическими методами на основе результатов испытаний элементов при уровнях внутренних и внешних нагрузок, определяемых техническими условиями. Такие показатели надежности называют производственными. Другой вид показателей определяется реальными эксплуатационными режимами работы элемента. Эти показатели носят название: «рабочие критерии надежности». 13

Существуют следующие основные резервы повышения производственных показателей надежности элементов: ослабление интенсивности протекания в материалах физико-химических процессов, приводящих к изменению параметров элементов; увеличение запасов прочности структуры элемента по всем видам нагрузок; создание равнопрочной конструкции во всех звеньях структуры; применение новых конструктивных решений и новых принципов создания элементов с большими потенциальными возможностями в отношении повышения надежности; отбраковка элементов со скрытыми производственными дефектами. Наиболее перспективным способом повышения производственной надежности является разработка и применение интегральных микросхем (ИМС) и функциональных приборов. Элементы интегральных микросхем, аналогичные обычным радиодеталям и приборам, выполнены и объединены внутри или на поверхности общей подложки, электрически соединены между собой и заключены в общий корпус. В интегральной микроэлектронике сохраняется основной принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Помимо высокой надежности собственных элементов в интегральных микросхемах очень низкая интенсивность отказов связей между элементами и, поскольку интенсивность отказов системы λΣ формируется из двух составляющих – надежности элементов λi и надежности их связей λ j , снижение второй составляющей приводит к значительному эффекту в части повышения надежности систем λ∑ =

n

k

i =1

j =1

∑ ni λi + ∑ k j λi ,

где n – количество типов элементов i-го вида; k – количество типов связей между элементами; ni, kj – соответственно количество элементов и связей данного типа. Для целого ряда полупроводниковых ИМС связь между элементами внутри полупроводника практически абсолютно надежная. Анализ показывает, что в интегральном исполнении радиоэлектронные узлы имеют надежность на несколько порядков выше надежности 14

аналогичных устройств, выполненных на электровакуумных и полупроводниковых приборах. Повышение надежности элементов может быть достигнуто также приработкой их под нагрузкой, испытаниями и отбраковкой производственных дефектов. Приработка также позволяет стабилизировать параметры оставшихся элементов. Интенсивность отказов при этом снижается до стабильного уровня, соответствующего периоду нормальной эксплуатации. Производственная реализация уровня надежности, заложенного при проектировании и конструировании, определяется степенью технологичности элементов, которая должна учитываться при их разработке, и качеством технологического процесса их производства. Для организации качественного технологического процесса необходимо осуществлять оперативный количественный контроль надежности элементов. Наиболее перспективными методами оперативного контроля становятся методы неразрушающего контроля, позволяющие быстро определять скрытые производственные дефекты изделий и вносить соответствующие коррективы в технологический процесс. Наиболее действенным способом повышения надежности элементов является использование элемента в облегченных режимах работы (режимная избыточность). На рис. 1 показано изменение интенсивности отказов элемента λ в зависимости от коэффициента нагрузки Кн. Из рисунка видно, что при разгруженном режиме работы λ характеристика уменьшается, при этом период нормальной работы элемента увеличивается. λ КН1 >

КН2 > КН3

λ = const t Рис. 1

15

При этом коэффициент нагрузки элемента носит комплексный характер и учитывает влияние на надежность как электрического режима работы элемента, так и различных дестабилизирующих факторов в виде температурных, механических и прочих воздействий. Изменения λ -характеристики для данного вида элемента в зависимости от различных факторов приведены в справочниках по надежности. Повышение надежности элементов не может быть достигнуто какими-либо отдельными мерами совершенствования методов и средств производства. Для достижения этого необходима комплексная стандартизация, предусматривающая разработку нормативно-технической документации, устанавливающей стабильность качества исходных материалов, методы оценки показателей качества материалов и готовых изделий, единство измерений, требований к испытанию элементов и т. д. Высокий уровень надежности элементов, может быть, достигнут лишь тогда, когда сырье, материалы и полуфабрикаты будут соответствовать требованиям стандартов. Стандарт выполняет основную роль движущей силы повышения надежности элементов, так как в нем отражено все передовое, достигнутое ходом научно-технического прогресса. При его разработке исходят из результатов лучших научных работ, определяющих перспективу развития элементов. Таким образом, повышение надежности элементов РЭА является комплексной проблемой, которая требует разработки и внедрения, эффективных и связанных между собой мероприятий в каждом звене замкнутой цепи: разработка – производство – эксплуатация – разработка. 2.3. Методы повышения надежности систем Среди разнообразных методов повышения надежности систем необходимо выделить три большие группы: доэксплуатационные, производственные и эксплуатационные. Рассмотрим каждую из этих групп более подробно. В доэксплуатационных (т. е. при проектировании) методах повышения надежности можно выделить системные, схемные и конструктивные методы. К системным методам относятся организационно-экономические мероприятия по стимулированию повышения надежности и технические мероприятия. К числу таких мероприятий относятся: выбор и обоснование принципов технического обслуживания, выбор основного 16

показателя надежности, назначение норм надежности, распределение норм надежности системы по элементам, составление программы обеспечения надежности. Содержание этих связанных мероприятий во многом зависит от конечной цели, которую стремятся достигнуть. При этом необходимо так сбалансировать затраты на разработку и проектирование изделий с затратами на их эксплуатацию, чтобы общая сумма затрат не превышала заданную при обеспечении наилучших технических характеристик изделий. Схемные методы объединяют мероприятия по повышению надежности объектов путем совершенствования принципов построения этих объектов. К конструктивным методам относятся мероприятия по созданию и подбору элементов, созданию благоприятных режимов работы, принятию мер по облегчению ремонта и т. д. Обычно более надежными оказываются те элементы, которые не имеют перемещающихся деталей, накаливаемых нитей и тонких обмоток. При конструировании транспортной электронной аппаратуры нужно обеспечить защиту от ударов и вибраций. Правильная амортизация аппаратуры часто является основным фактором, определяющим ее надежность. При оценке условий работы элементов особое внимание нужно обращать на переходные процессы, возникающие при включении, а также при других изменениях режима работы аппаратуры. Должно учитываться изменение параметров материалов и деталей во времени («старение»). Учет старения необходим и для кратковременно работающих объектов, так как они могут применяться после долгого периода складского хранения. При этом целесообразно подбирать номинальные значения параметров элементов таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная параметрическая надежность системы. Время устранения отказа можно уменьшить путем построения систем по блочно-узловому способу. Вся система разбивается на отдельные функционально-законченные блоки и субпанели, которые в электронных системах соединяются между собой кабелями, а в механических системах связываются кинематически. Субпанели, в свою очередь, разбиваются на функционально законченные узлы, выполняемые в виде легкосъемных конструкций. При таком построении систем весь ремонт состоит в замене вышедших из строя блоков или узлов, что значительно ускоряет процесс ввода объектов в строй. Осуществление блочно-узловых конструкций тесно связано с унификацией элементов и систем, которая произво17

дится на основе отбора наиболее надежных вариантов. При этом не только повышается надежность объектов, но и снижается их стоимость и упрощается изготовление. В ряде случаев удается создать очень сложные системы из элементов двух-трех типов. Для облегчения ремонта отдельных от основной системы неисправных блоков также крайне необходима унификация блоков, деталей, напряжений и частот питания, разъемов и т. д. Унификация облегчает снабжение запасными частями и снижает стоимость эксплуатации, средних и капитальных ремонтов. Выше упоминалось, что отказы, в основном, являются следствием наличия «слабых» элементов со скрытыми пороками. Иначе говоря, одна из основных причин появления отказов состоит в разбросе значений качества элементов. Поэтому значительную часть производственных мероприятий по повышению надежности элементов и систем составляют мероприятия по улучшению однородности выпускаемой продукции. Все эти мероприятия можно свести в четыре группы: совершенствование технологии производства, автоматизация производства, технологические (тренировочные) прогоны, статистическое регулирование качества продукции. Все эти мероприятия взаимно связаны между собой. Совершенствование технологии производства является одной из сторон общего прогресса науки и техники. В большинстве отраслей промышленности технический прогресс является сравнительно медленным, постепенным процессом. Все мероприятия в этой области опираются не только на последние достижения науки, но и в значительной мере на накопленный опыт производства продукции. Борьба за совершенствование технологии производства с целью получения однородной (т. е. надежной) продукции может быть успешной только в том случае, если она охватывает все стадии производственного процесса от получения сырья до сборки и регулировки систем. Автоматизация производства обеспечивает высокую степень однородности продукции, а следовательно, и высокую надежность изделий. Например, в изготовляемых вручную трансформаторах часто происходят обрывы тонких обмоток. Автоматизация этого процесса обеспечивает равномерное натяжение провода при намотке, из-за чего число обрывов резко сокращается. Технологические (тренировочные) прогоны производятся с целью выявления скрытых производственных дефектов и причин их возникновения. Кроме тренировочных прогонов в условиях, близких к эксплуатационным, могут применяться ускоренные прогоны с тяжелыми ус18

ловиями работы. В последнем случае усложняется вопрос о выборе режима и длительности прогона, которые должны быть такими, чтобы полностью удалить «слабые» элементы и вместе с тем не ухудшать качество «нормальных» элементов. Такая жесткая тренировка применяется редко. Выявлено, что в начальный период эксплуатации, характеризуемый повышенным числом отказов (период приработки), в основном отказывают механические и электромеханические узлы, проявляются дефекты монтажа, сборки, регулировки. Эти отказы удается выявить в процессе прогона при вибрационных нагрузках на включенное под электрическую нагрузку изделие. Введение тренировочных прогонов в технологический процесс производства позволяет сократить расходы заводов-изготовителей на гарантийные ремонты. Может быть установлена продолжительность прогона из условия, чтобы суммарные затраты заводаизготовителя на проведение технологического прогона и на ремонты или замены в течение гарантийного срока были бы минимальными. Статистическое регулирование качества продукции также значительно повышает однородность продукции. Основная идея статистического регулирования качества состоит в следующем. Причины, вызывающие отклонения качества продукции, разбиваются на две группы. Одна из них – группа случайных причин – считается недоступной воздействию человека вследствие многочисленных причин и ничтожности каждой из них. Помимо случайных величин, которые всегда существуют в любом производстве, иногда могут появляться «определимые причины», которые могут быть устранены путем сознательного вмешательства в технологический процесс. Если все определимые причины устранены и осталась только постоянная группа случайных причин, то дальнейшего даже незначительного повышения качества продукции можно добиться путем полной перестройки производства, что, как правило, требует очень больших затрат. Поэтому в производстве допускается постоянная система случайных причин, а всякого рода определимые причины устраняются. При этом определимые причины выявляются путем применения статистических методов оценки качества. Так как постоянная группа причин проявляется в постоянном разбросе характеристик качества, то все дело сводится к наблюдению за постоянством разброса значений показателей качества. К эксплуатационным методам повышения надежности систем относятся: четкая организация ремонтно-профилактических мероприятий; 19

эксплуатация систем на базе автоматизированных систем контроля и управления (АСКУ); комплексирование (сбор на одном носители) информации о состоянии комплекса радиоаппаратуры; введение систем автоматизированного диагностирования (установления места неисправности); реализация прогнозирующего контроля, позволяющего предсказать возможный отказ аппаратуры; организация эксплуатации радиокомплексов по состоянию, в отличие от существующих в настоящее время для большинства РЭА регламентных способов обслуживания. Среди всех методов повышения надежности, предусматриваемых при проектировании, особое место занимает использование избыточности, т. е. введение дополнительных средств или возможностей сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций. Сам же метод повышения надежности объекта путем введения избыточности принято называть резервированием [1]. Особое место, отводимое этому методу, объясняется тем, что резервирование позволяет наиболее полно решить задачу получения требуемой надежности РЭА при относительно малонадежных элементах. В зависимости от типа создаваемой в объекте РЭА избыточности различают резервирование [1]: структурное, которое предусматривает использование избыточных элементов в структуре объекта (введением дополнительных узлов, блоков и элементов, аналогичных имеющимся); временное, когда используется избыточное время, которое может быть при соответствующей структуре времени в информации, поступающей на объект; информационное, которое предполагает использование избыточности информации, поступающей на объект; функциональное, означающее использование способности элементов и узлов объекта выполнять дополнительные функции; нагрузочное, режимное, предусматривающее использование способности объекта и его элементов воспринимать дополнительную нагрузку. В ряде случаев в объекте могут быть использованы несколько видов резервирования одновременно (структурное и нагрузочное, структурное и временное и т. п.). Следует учитывать, что резервирование связано с возрастанием веса, габаритов, стоимости аппаратуры и в ряде случаев потребляемой мощности электропитания. 20

3. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПУТЕМ СТРУКТУРНОЙ ИЗБЫТОЧНОСТИ

3.1. Виды резервирования Обобщенная классификация резервирования приведена на рис. 2. Особое место при этом занимает структурное резервирование. Введение структурной избыточности сводится к использованию в системе избыточных (резервных) элементов, которые не являются необходимыми для функционирования оборудования, а выполняют функции основных элементов при отказе системы. Этот метод называют резервированием (или дублированием, когда используется один основной и один резервный элемент). Таким образом, резервированием называется метод повышения надежности аппаратуры, состоящий в применении избыточного количества элементов для выполнения одной и той же функции. Резервирование изменяет структуру системы, увеличивая ее избыточность. Резервирование, как правило, изменяет, и закон распределения времени безотказной работы того участка системы, в котором оно применено. Резервирование применяется как для повышения безотказности аппаратуры, так и для повышения ее готовности и других показателей надежности. Если при основном соединении элементов общая надежность РЭА всегда ниже надежности самого ненадежного элемента, то при резервировании общая надежность РЭА может быть выше надежности самого надежного элемента. Говоря о структурном резервировании, следует различать основной элемент, т. е. элемент структуры объекта, минимально необходимый для выполнения объектом заданных функций, и резервный, т. е. элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента. Естественно, что резервный элемент должен обладать характеристиками, аналогичными основному. В качестве резервного элемента может выступать как элемент, комплектующий объект так и сам объект. В соответствии с этим различают резервирование: общее, предусматривающее резервирование объекта в целом. В данном случае резервирующим элементом является аналогичный объект РЭА (рис. 3); раздельное, предусматривающее резервирование отдельных элементов объекта или их групп. В этом случае резервирующим элементом 21

22

Резервирование

по характеру

по крайности

по характеру включения

по характеру резервных элементов

по типу избыточности

по характеру восстанавливаемости резерва

по состоянию резерва

общее

однократное

постоянное

восстанавливаемые

структурное

с восстановлением

нагруженный

раздельное

многократное

замещением

невосстанавливаемые

временное

без восстановления

облегченный

смешанное

информационное

скользящее

функциональное

нагрузочное

Рис. 2

ненагруженный

Рис. 3

Рис. 4

является аналогичный элемент, комплектующий объект или же их группа (рис. 4); смешанное, предусматривающее совмещение различных видов резервирования. Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых основных элементов объекта носит наименование кратность резервирования. Различают однократное резервирование, кратность которого равна единице (дублирование), и многократное, кратность которого больше единицы. Многократное резервирование применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить весьма высокие показатели надежности. Присоединение резервных элементов к основным должно производиться параллельно. Существуют три способа включения резерва: постоянное, замещением и скользящее [1]. Постоянным резервированием называют такое, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными. Естественно, что резервные элементы находятся в таком же режиме, как и основные, и их ресурс работы расходуется с момента включения в работу всего объекта. Так как резервные элементы функционируют наравне с основными, т. е. несут нагрузку, то такой резерв называют нагруженным. Основными достоинствами постоянного резервирования являются: простота включения и мгновенная готовность резерва к работе, так как нет необходимости в подключении резерва вместо основного объекта (элемента). Недостаток постоянного резервирования заключается в том, что с появлением отказов в резерве изменяются параметры всей системы, а это в ряде случаев может привести к изменению режимов работы. 23

Резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента, называют резервированием замещением. При резервировании замещением обязательно наличие коммутирующего устройства для подключения резервных элементов взамен отказавших основных элементов. Резервирующие элементы могут находиться в различных режимах: нагруженном, облегченном и ненагруженном. Нагруженный резерв (как и при постоянном резервировании) имеет резервные элементы, находящиеся в том же режиме, что и основные элементы. Это позволяет предельно сократить время перехода резервного элемента в рабочее состояние. Облегченный резерв имеет резервные элементы, находящиеся в менее нагруженном режиме, нежели основные. Ресурс работы резервных элементов расходуется с момента включения объекта в работу, но интенсивность расхода до подключения существенно ниже, чем у основных элементов. Поэтому закон распределения времени их безотказной работы несколько отличен от распределения времени безотказной работы основных элементов. Время перехода резервных элементов в рабочее состояние больше, чем при нагруженном резерве. Ненагруженный резерв имеет резервные элементы, практически не несущие нагрузок. Ресурс работы ненагруженного резерва начинает расходоваться только с момента его включения. Время перехода резервных элементов в рабочее состояние наибольшее. Преимущество резервирования замещением состоит в том, что в большей степени может сохраняться ресурс работы резервных элементов (облегченный и ненагруженный резервы), не изменяются режимы объекта (элементов) при отказах, отпадает необходимость в специальных регулировках при отказах, появляется возможность использовать один резервный элемент для резервирования нескольких однотипных основных элементов. К недостаткам нужно отнести: необходимость коммутирующего устройства для подключения резерва, дополнительного времени на переключение резерва и выход его на режим. Включение резервных элементов может осуществляться вручную или автоматически (автоматическое резервирование). Резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными элементами, 24

Логическое устройство и коммутатор

Рис. 5

каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе называют скользящим резервированием (рис. 5). Следует отметить одну важную особенность резервирования замещением – возможность восстановления вышедшего из строя резерва в то время, пока объект работает с другими резервными элементами. Это позволяет существенно повысить вероятность безотказной работы, так как наработка на отказ всегда больше среднего времени восстановления. Необходимо отметить, что резервирование может быть с восстановлением любого основного и резервного элемента в процессе эксплуатации объекта и без восстановления. Сам резервный элемент может быть восстанавливаемым, т. е. в случае отказа подлежит восстановлению, и невосстанавливаемым. 3.2. Показатели надежности систем со структурной избыточностью На рис. 3 и 4 приведены схемы общего и раздельного резервирования функциональных частей радиоэлектронной системы. Представляется целесообразным произвести оценку показателей надежности таких схем и дать их сравнительную характеристику. Полагаем, что основные и резервные элементы приведенных схем имеют равные вероятности безотказной работы. Вероятность наступления отказа всей системы при общем резервировании определяется одновременным отказом основной и m резервных цепей [2]. Вероятность отказа основной цепи n

Qосн (t ) = 1 − ∏ Pi (t ); i =1

25

для всей системы m

Qc (t ) = Qосн (t )∏ q j (t ). j =1

 Зная, что Qосн (t) = qj (t), получим Qc (t ) = 1 − 

 Pi (t )  i =1  n

∏

m +1

.

Переходя к вероятности безотказной работы,

 Pобщ (t ) = 1 − 1 − 

 Pi (t )  i =1  n

∏

m +1

,

(3.1)

где n – количество элементов основной цепи; Рi(t) – вероятность безотказной работы i-го элемента основной цепи; m – количество резервных цепей. Из формулы (3.1) можно определить необходимое количество резервных цепей для получения заданной вероятности безотказной работы системы при общем резервировании m=

ln[1 − Pобщ (t )] ln[1 −

n

∏ Pi (t )] − 1

.

(3.2)

i =1

При экспоненциальном законе надежности, когда Pi = e −λit , при Pобш (t ) = 1 − 1 − e − nλit   

m +1

= 1 − 1 − e −Λt   

m +1

,

одинаковой надежности элементов для общего резервирования, полагая nλi = Λ, ∞

∞

(

 Tобщ = Робщ (t ) dt = 1 − 1 − e −Λt  0 0

∫

=

26

1 Λ

∫

m

∑

j =0

)

m +1 

dt =

m 1 1 = Tcp0 = Tcp0 Am , j +1 j =0 j + 1

∑

Am , (3.3) Λ где Λ – интенсивность отказов цепи; Т ср – среднее время безотказной работы не резервированной цепи. Для численных значений кратности резервирования ниже приведены значения Аm для различных m. Tобщ (t ) =

m 1 2 3 4 5 1,5 1,83 2,08 2,28 2,45 Аm Для схемы с раздельным резервированием i-й группы элементов вероятность безотказной работы

Pi (t ) разд = 1 −

m +1

∏ [1 − Pi (t )] = 1 − [1 − Pi (t )]

m +1

.

i =1

Вероятность безотказной работы всей системы при поэлементном резервировании Pразд (t ) =

∏{1 − [1 − Pi (t )] n

m +1

i =1

}.

(3.4)

Если все элементы обладают одинаковой вероятностью безотказной работы р(t), то для обеспечения требуемой надежности число резервных цепей при поэлементном резервировании m = ln 1 − n Pразд (t ) / ln[1 − pi (t )  − 1.  

(3.5)

Для раздельного резервирования и экспоненциального закона надежности при одинаковой вероятности отказов всех элементов

(

 Pразд (t ) = 1 − 1 − e−λit  ∞

∫

Tразд = Pразд (t )dt = 0

где ν j =

(n − 1)! λ (m + 1)

m

)

m +1  n

 ,

∑ ν j (ν j + 1)...(ν j + n − 1) , 1

(3.6)

j =0

( j + 1) . (m + 1) 27

Из анализа схем построения систем при общем и раздельном (поэлементном) резервировании с учетом выражений (3.1)–(3.6) следует, что раздельное резервирование (в предположении абсолютной надежности устройств переключения резервных элементов) приводит к большому эффекту в повышении надежности системы по сравнению с общим резервированием. Сравнительную оценку эффективности общего и раздельного резервирования произведем на гипотетическом примере: оценке надежностей системы, у которой все блоки равнодежные. При этом Pi = 0,9; m = 1; n = 3. Для этой системы безотказность работы при общем резервировании (3.1) n   Pоб (t ) = 1 − 1 − ∏ Pi (t )  i =1 

m −1

= 0,92.

При раздельном резервировании по формуле (3.4) n

m +1 Pр (t ) = 1 − (1 − Pi )  ≡ 0,97.  

Из сравнительной оценки результатов расчета видно, что для нашего случая при раздельном резервировании надежность системы выше приблизительно на половину порядка. Однако раздельное резервирование в реальных условиях требует гораздо большего количества переключателей и устройств контроля технического состояния и резервных элементов системы. Эти устройства обладают своей ненадежностью, что необходимо учитывать при построении систем со структурной избыточностью. Всегда следует иметь в виду, что резервирование целесообразно применять в системах, у которых большие последствия отказов (средства управления воздушным движением, зенитно-ракетные комплексы и др.). Построение таких систем требует проведения очень серьезного конструктивного и экономического предварительного анализа. При этом должны учитываться всевозможные тактические задачи, возложенные на систему. Это вызвано тем, что во всех случаях резервирование приводит к росту стоимости, массы габаритов и энергопотребления системы. 28

3.3. Оптимизация резервирования Под оптимальным резервированием понимают резервирование, обеспечивающее получение наибольшего эффекта повышения надежности с минимальными затратами [1]. Под «затратами» понимают факторы, определяющие оптимальность резервирования в зависимости от конкретных требований. Максимальная надежность аппаратуры с раздельным резервированием может быть обеспечена только лишь при некотором оптимальном числе резервирующих элементов, если известна вероятность отказов коммутирующих устройств и кратность резервирования. Осуществляя оптимизацию резервирования с учетом ограничений по стоимости, весу или габаритам, следует рассматривать два аспекта этой задачи: 1) обеспечение заданной надежности при минимальных затратах на резервирование; 2) обеспечение максимальной надежности при известных допустимых затратах на резервирование. Реализацию оптимизации системы (объекта) можно представить в виде следующего процесса: в качестве исходной рассматривается система (объект) без резерва, а затем отыскивается участок для резервирования, дающий наилучший результат. Далее отыскивается новый участок резервирования для новой системы (системы с одним зарезервированным участком). Аналогично процесс продолжается до тех пор, пока не будет удовлетворено условие одной из задач. 4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ НА ЭТАПАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

4.1. Основные характеристики процесса эксплуатации Отдавая должное роли первых двух этапов жизненного цикла техники (конструирование и производство), следует считать, что этап эксплуатации является определяющим при обеспечении требуемого уровня надежности. Совокупность мероприятий, проводимых в определенной последовательности и протекающих во времени, образует технологический процесс эксплуатации. В этом процессе операции технического контроля состояния объекта, регулирования параметров РЭО, восстановления работоспособности аппаратуры являются важнейшими и впрямую направлены на обеспечение эксплуатационной надежности авиационного 29

радиоэлектронного оборудования. В соответствии с ГОСТ 2412–80 указанный комплекс операций представляет собой систему технического обслуживания (ТО) [3]. При выборе и обосновании методов ТО в качестве основного требования выдвигается необходимость обеспечения безопасности и регулярности полетов при возможно малых эксплуатационных затратах. Действие множества случайных факторов, дестабилизирующих нормальную работу аппаратуры, приводит к тому, что время наступления отказа АРЭО является случайной величиной. По характеру возникновения отказы АРЭО разделяют на внезапные и постепенные. Внезапные отказы в большинстве своем непредсказуемы и вызваны случайными проявлениями скрытых дефектов, различными случайными химико-физическими изменениями в материалах и элементах конструкции РЭА. Постепенные отказы вызваны процессами старения и износа аппаратуры. Накопление постепенных отказов в аппаратуре обусловлено относительно медленными изменениями параметров элементов под влиянием различных нагрузок. Обычно значения изменений возрастают с течением времени, что в конце концов приводит к выходу одного или нескольких параметров за пределы эксплуатационных допусков. Во время эксплуатации возможно такое состояние РЭА, когда ее выходные параметры находятся в пределах допусков, а параметры элементов – за пределами установленных допусков. Такие элементы являются потенциальными источниками отказов и должны быть выявлены при ТО. Для своевременного предупреждения отказов необходимо знать и количественно описать процессы накопления отказов во времени. 4.2. Изменения параметров в процессе эксплуатации Знание закономерностей накопления отказов позволяет определить сроки выполнения профилактических работ. Существуют различные способы количественного описания процессов накопления неисправностей во времени. Основной из них базируется на знании закономерности изменения параметров элементов во время эксплуатации. Поскольку процесс изменения параметров является случайным, задача описания накопления неисправностей сводится к определению времени t1 , t2 ,…, tn пересечения реализаций случайной функции y(t), описывающей изменение параметра, с уровнем допуска на этот параметр yдоп (t) (рис. 6). 30

y(t)

y (t)

yдоп

t t1

t2

, ....,

tn

Рис. 6

При решении этой задачи считают, что параметр y(t) в каждый момент времени имеет нормальное распределение с математическим ожиданием y (t) и среднеквадратическим отклонением δ y (t), которые, в свою очередь, являются функциями времени. Если известны y(t) и δ y (t) в любом сечении по оси времени, то вероятность того, что элемент исправен, равна вероятности того, что значение параметра в данный момент времени превышает уровень допуска yдоп:

P (ti ) = P  y (ti ) > yдоп  =

∞

∫ f ( y, t ) dt ,

yдоп

где f ( y, t ) – плотность распределения параметра y в момент времени t. Для определения этих вероятностей необходимо знать математическое ожидание параметра и среднеквадратическое отклонение в каждый момент времени. При отсутствии полных статистических данных можно пользоваться методом статистической линеаризации случайной функции изменения параметров, который позволяет описать процесс при минимуме статистической информации по результатам измерения параметров в двух достаточно удаленных друг от друга сечениях по оси времени. Вероятность исправной работы элемента в данный момент времени yi еще не определяет надежность, поскольку надежность есть функция времени. Чтобы определить, насколько изменяется вероятность отказа 31

при эксплуатации элемента в течение времени, ∆t, т. е. описать процесс накопления неисправностей, можно поступить следующим образом: определить вероятность отказа в момент времени ti и ti + ∆ t ; затем вычислить приращение вероятности появления отказа элемента за время ∆t:

∆Q ( ∆t ) = Q (ti + ∆t ) − Q (ti ) . Определив приращение вероятности отказа в достаточно большом числе сечений оси времени, можно построить гистограмму, которая будет показывать процесс накопления неисправностей во времени. Таким образом, может быть описан процесс накопления неисправностей АРЭО в том случае, если возможно определить процесс постепенного изменения параметров элементов. Процесс накопления внезапных отказов АРЭО можно описать на основе статистических данных о времени безотказной работы элементов. Известно, что время безотказной работы элементов в случае их внезапных отказов распределяется по экспоненциальному закону с плотностью вероятности f (t ) = exp ( −λt ) ,

где λ – интенсивность внезапных отказов. Процесс предотвращения отказов в общем виде заключается в том, что при достижении параметром РЭА значения, равного упреждающему допуску (ГОСТ 2412–80), параметр определенным образом будет возвращен в область работоспособности, предусмотренную нормативно-технической документацией. Введение упреждающих допусков позволяет значения параметров разделить на три области, соответствующие трем состояниям объекта: исправному, предотказовому, требующему проведения работ по предотвращению отказа, и неработоспособному. Необходимость проведения работ по предотвращению отказов, т. е. по управлению техническим состоянием, определяется в процессе ТО. В связи с этим в любой структуре ТО должна быть выработана система правил управления техническим состоянием объекта. Такая система правил составляет стратегию технического обслуживания. В системе ТО АРЭО ГОСТ предусматривает два основных вида стратегии: по наработке и по состоянию. 32

4.3. Стратегия технического обслуживания по наработке Стратегия ТО по наработке определяется как стратегия, согласно которой перечень и периодичность выполнения операций по профилактике определяются значением наработки изделия с начала эксплуатации или после капитального (среднего) ремонта. Использование данной стратегии предусматривает единые для всех однотипных элементов определенных систем перечень и периодичность выполнения работ по ТО. Анализ отказов современной РЭА показывает, что в конструкции многих типов оборудования имеется сравнительно небольшое число элементов с повышенной интенсивностью отказов (магнитроны, клистроны, антенные переключатели и др.). Обычно число таких элементов невелико по сравнению с общим числом элементов радиосистемы. Отказы их носят внезапный характер и в конечном итоге приводят к увеличению времени ремонта, ухудшению коэффициента готовности, снижению других показателей надежности. В современных условиях единственным способом предотвратить отказы системы за счет выхода из строя слабых по надежности элементов является их своевременная замена. Правило замены элементов должно быть таким, чтобы обеспечить наименьшие в среднем потери при эксплуатации и повысить надежность АРЭО в целом. Успешное решение задачи обеспечивается разработкой стратегии ТО по наработке. В качестве показателя системы ТО, на основе которого решается задача определения оптимального времени наработки, по истечении которого элемент заменяется при эксплуатации системы, принимается коэффициент оперативной готовности элемента. Физический смысл коэффициента состоит в вероятности застать элемент в исправном состоянии в момент времени t и проработать после этого времени в течение ∆t. Решение задачи ТО по наработке подробно описано в технической литературе [4]. В настоящее время для любого средства обеспечения полетов, находящегося в эксплуатации, разработаны регламенты технического обслуживания по наработке, которые являются обязательными при эксплуатации радиооборудования и средств связи на авиапредприятиях. 33

4.4. Прогнозирующий контроль технического состояния авиационного радиооборудования как основа стратегии технического обслуживания по состоянию Как указывалось ранее, наиболее прогрессивным способом технического обслуживания, в отличие от регламентного способа, является обслуживание по состоянию. При этом крайне эффективным средством улучшения апостериорных показателей надежности обслуживаемых объектов является применение прогнозирующего контроля (ПК), основной задачей которого является определение остатка времени жизни ∆tж контролируемого объекта. В самом общем виде задачу прогноза применительно к проблеме прогнозирующего контроля можно сформулировать следующим образом. Задана допусковая область [a, b] такая, что при выполнении неравенства a < y < b объект считается работоспособным. На временном интервале [0, tk ] осуществляется наблюдение за состоянием конкретного объекта с номером j, в результате чего становится известным отрезок реализации y j (t ) случайного процесса изменения значения его определяющего параметра на этом интервале a < y j (t ) , 0 ≤ t ≤ tk . Требуется оценить остаток времени жизни ∆Tж данного объекта, т. е. время, в течение которого параметр будет находиться в допуске после момента времени tk . Естественным путем решения этой задачи является продолжение отрезка реализации y j (t ) , 0 ≤ t ≤ tk в область t > tk и определение искомого остатка времени жизни ∆Tж как наименьшего из корней уравнения yˆ j (t ) − a = 0 или yˆ j (t ) − b = 0, где yˆ j (t ) – продолжение исследуемой реализации в область t > tk. Таким образом, необходимым элементом прогноза в данной постановке является экстраполяция известной части реализации в область будущих значений. В случае, когда для принятия решения используется время жизни, говорят о прогнозировании надежности. Если используется непосредственно будущее значение реализации, говорят о прогнозировании технического состояния. Различают математические и аппаратурные методы прогноза. Математические методы основаны на применении различных теорий: численного анализа, случайных функций, вероятностей, распознавания образов и игр. При техническом обслуживании авиационной РТА наиболее целесообразно использовать прогнозирующий контроль постепенных отказов средств обеспечения полетов, ибо доля такого вида отказов 34

в этих средствах значительна. Здесь мы имеем дело с монотонно возрастающими или монотонно убывающими во времени значениями параметров. В этом случае целесообразно применять аппарат численного анализа, когда вместо контролируемой функции параметра y(t) выбирают достаточно простую для вычисления интерполирующую функцию Bи(t) таким образом, чтобы ее значения были равны значениям функции y(t) в одинаковые моменты времени. Чаще всего функцию Bи(t) отыскивают в виде алгебраического многочлена, получая при этом на небольших отрезках времени достаточно хорошее приближение. В этом случае задача экстраполирования может быть сформулирована следующим образом. По данным значениям t = t1 , t2 ,..., tn и y (t ) = y (t0 ) , y (t1 ) ,..., y (tn ) необходимо найти многочлен Bи (t ) = y (t ) степени n удовлетворяющий условиям Bи (t0 ) = y (t0 ); Bи (t1 ) = y (t1 ) ,...,

Bи (tn ) − y (tn ) ≤ ε1 ; Bи (tn +1 ) − y (tn +1 ) ≤ ε 2 ,..., Bи (tn + m ) − y (tn + m ) ≤ ε n ,

где ε1 , ε 2 ,..., ε n – заданные величины, а y y (tn +1 ) ,..., y (tn + m ) – неизвестные значения функции y (t) в области T2. На рис. 7 показаны области времени с известными и неизвестными значениями y. При этом в интервале времени Т1 – значения параметра y известны; в интервале времени Т2 – значения параметра y неизвестны. По результатам измерений параметра в области известных значений проводится статистическая обработка результатов и таким образом определяется значение параметра y(t) в данной временной точке и усBи(t) танавливается закономерность изменения параметра. Эта закономерность дает возможность установить значение y в области Т2. T1 T2 Критерием отказа является время достижения границы допустимого значения параметра tn tn+1 tn+2 Время, t или установленного значения t0 t1 упреждающего допуска. Рис. 7 35

Многочлен Bи(t) обычно имеет вид

Bи (t ) = a0 + a1t + a2t 2 + ... + ant n , где неизвестные значения а i находятся решением системы из n + 1 уравнений с n + 1 неизвестными. В зависимости от вида многочлена на практике могут быть использованы различные формулы: Лагранжа, Ньютона, наименьших квадратов и др. Аппаратурные методы прогнозирования могут быть двух видов: прогнозирование при нормальном режиме работы РТА, прогнозирование при специальных режимах работы аппаратуры. В первом случае предполагается, что параметры РТА изменяются линейно. При этом легко определяется отрезок времени, через который предполагается, что параметры РТА изменяются, необходимо произвести профилактические работы по результатам двух предыдущих измерений. Во втором случае аппаратура должна работать в специальном режиме, который создается изменением режимов питания аппаратуры или другими способами. Специальный режим приводит к изменению определяющего параметра, по которому можно определить время безотказной работы системы. Реализация прогнозирующего контроля на базе автоматизированных систем контроля, диагностирования и управления (АСКДУ) является сложной инженерной задачей. Вопросы прогнозирующего контроля подробно изложены в специальной литературе. 4.5. Стратегия технического обслуживания по состоянию Стратегия ТО по состоянию – это стратегия, согласно которой перечень и периодичность выполнения операций определяются фактическим состоянием изделия в момент начала ТО. Данная стратегия более прогрессивна по сравнению со стратегией по наработке. Стремление к ее использованию вызвано тем, что планово-предупредительная система ТО не позволяет устранить противоречие между возросшим объемом работ и требованием обеспечения необходимого качества функционирования авиационной техники. При этом объем и периодичность работ определяются по результатам непрерывного или периодического контроля технического состояния каждого изделия [3]. Периодичность контроля может назначаться 36

индивидуально для каждого изделия на основе его технического состояния. Признаком, на основе которого выполняется та или иная операция ТО, служит предотказовое состояние АРЭО. В зависимости от способов определения предотказового состояния различают два вида стратегии ТО по состоянию: с контролем параметров и с контролем уровня надежности. В первом случае признаком предотказового состояния является значение параметра. Предотказовое значение устанавливают расчетным или опытным путем. Стратегия по состоянию с контролем параметров используется в системе ТО таких РЭС, отказы которых влияют на безопасность полетов. Поскольку в процессе определения технического состояния РЭО могут быть ошибочные решения, эффективность системы ТО в этом случае в значительной мере будет определяться характеристиками средств контроля. Высокое качество эксплуатации должно обеспечиваться применением АСКДУ. Признаком технического состояния при контроле уровня надежности является возникновение отказа. Следовательно, использование стратегии обслуживания по состоянию при оценке надежности возможно только для авиационной техники, отказы которой не влияют на безопасность полетов. Этот вид обслуживания предполагает контроль надежности на основании статистических данных по отказам группы однотипных изделий и включает следующие виды работ: сбор и обработку статистической информации о надежности элементов и узлов РТА, разработку методики и определение допустимого уровня надежности, разработку рекомендаций по поддержанию требуемого уровня безотказности. Если при планово-предупредительной системе ТО решение о проведении определенных видов ТО принимается априорно, без установления фактического состояния эксплуатируемого АРЭО, то в системе ТО по состоянию проведению операций ТО предшествует процедура определения технического состояния аппаратуры. При хорошем техническом состоянии необходимость в проведении ряда операций по ТО отпадает. Именно в этом суть преимущества такого вида обслуживания по состоянию с контролем параметров. Однако эта стратегия окажется более выгодной только при определенных условиях, которые и предстоит выявить с помощью обоснованного критерия. При установлении фактического состояния РЭО (исправного или неисправного) с помощью системы контроля и возможных ошибочных решений могут быть следующие заключения о состоянии АРЭО: «ис37

правное» с вероятностью p и «неисправное» с вероятностью q. При этом в качестве условных рисков принимаются потери, которые целесообразно выразить в стоимостных оценках. Стоимостные оценки при этом следующие: Сопр– затраты на определение технического состояния РЭО, СТО – затраты на операции ТО, выполняемые по результатам определения технического состояния; Снв– потери вследствие невыполнения оперативной задачи, так как к обеспечению производственной деятельности авиапредприятия может быть допущено неисправное оборудование. Составляющие рисков могут быть определены в каждом конкретном случае для любого типа оборудования. Средний условный риск [3] может быть представлен

(

)

R = p (1 − α ) Сопр + α Сопр + СТО  +   + q β Сопр + Снв  + (1 − β ) Сопр + СТО .   Поскольку в планово-предупредительной системе ТО при любом обслуживании затраты равны СТО, то критерий γ = СТО / R может служить технико экономическим критерием эффективности системы ТО. Тогда

(

γ=

(

)

)

СТО  (1 − α ) Сопр + α Сопр + СТО  + р 

(

(

)

)

(

)

+ q β Сопр + Снв + (1 − β ) Сопр + СТО  .   В представленное выражение критерия кроме чисто экономических затрат СТО, Сопр, Снв входят вероятности ошибочных решений α и β. Эти величины определяются характеристиками объекта эксплуатации и характеристиками средств контроля технического состояния. Следовательно, критерий γ устанавливает связь между надежностными характеристиками объекта эксплуатации, показателями системы контроля и экономическими факторами. Наиболее наглядно преимущество системы ТО по состоянию с контролем параметров проявляются, если определение ТО будет производиться безошибочно, т. е. при α = β = 0. В этом случае γ=

38

СТО

(Сопр + qСТО )

или γ =

1  Сопр     СТО + q 

.

Преимущества системы ТО по состоянию еще больше возрастут, если затраты на определение технического состояния будут существенно меньше затрат на ТО, т. е. Сопр<< CТО. В этом случае γ = q–1. Из приведенного следует, что стратегия технического обслуживания по состоянию с контролем параметров особенно эффективна при эксплуатации высоконадежных типов АРЭО. В реальных условиях соблюдение неравенства Сопр<< CТО возможно при использовании эффективных автоматизированных систем контроля и диагностики технического состояния АРЭО. В наибольшей степени этому условию удовлетворяют АСКДУ. Другой разновидностью стратегии ТО по состоянию является стратегия с контролем уровня надежности. Признак технического состояния объекта при такой стратегии – возникновение отказа. Следовательно, использование такой стратегии возможно только для изделий авиационной техники, отказы которых не влияют на безопасность полетов. Здесь предполагается контроль надежности на основании статистических данных по отказам группы однотипных изделий. Использованию данной стратегии на практике должен предшествовать комплекс организационно-технических мероприятий, основные из которых следующие: сбор и обработка статистической информации для оценки уровня надежности на основе статистических методов; задачей этого этапа является получение достоверных данных о фактическом уровне надежности; разработка методики и определение допустимого уровня надежности; разработка методики сравнения допустимого уровня надежности с фактическим; разработка рекомендаций по поддержанию требуемого уровня безотказности. Такими рекомендациями могут быть как конструктивно-технологические, так и эксплуатационные меры, в качестве которых используются введение дополнительных работ по ТО, облегчение режимов эксплуатации и др. В качестве показателя фактического уровня надежности может использоваться параметр потока отказов ω (t ) , который удобно вычислять на основании статистических данных по эксплуатации парка однотипных изделий. Исходной информацией при этом является число наблюдаемых в процессе эксплуатации объектов, наработка объектов на от39

каз, число отказов. В качестве критерия эффективности системы ТО используют один из комплексных показателей надежности. Следует отметить высокую экономическую эффективность данной стратегии, поскольку ее применение позволяет полностью использовать ресурс изделия. Однако это эффективно только в том случае, если отказы изделия не приводят к большим потерям в производственной деятельности авиапредприятия. Практическое использование стратегии по уровню надежности заключается в том, что через определенные промежутки времени вычисляют значение параметра потоков отказов. Исходная информация при этом: число однотипных элементов N, число однотипных образцов n и наработка Т. Уровень надежности однотипных элементов контролируют путем сравнения фактического числа отказов nф c допустимым nq. Допустимое число отказов определяют по значению потока отказов эксплуатируемого оборудования. Повышение фактического числа отказов, по сравнению с допустимым, свидетельствует о существенном снижении надежности и необходимости разработки мероприятий по ее повышению. 4.6. Автоматизированные системы диагностирования и техническое обслуживание АРЭО Как упоминалось ранее, эффективность средств обеспечения полетов в значительной степени определяется качеством систем контроля и диагностирования технического состояния этих средств. Очевидно, что наиболее прогрессивным способом технического обслуживания является ТО по состоянию с прогнозированием отказов, которое осуществляется на базе использования автоматизированных систем контроля параметров, диагностирования места отказов и управления объектом по результатам контроля (АСКУ). Для построения АСКУ и оценки уровня их эффективности необходимо знать динамику взаимодействия объекта контроля с системой контроля и диагностирования. При этом АСКУ должны быть разделены на два больших вида в зависимости от особенностей объекта контроля и диагностирования: АСКУ бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) и АСКУ наземного радиотехнического оборудования управления воздушным движением (НРТО УВД). Система БРЭО, предназначенная для решения навигационно-пилотажных задач, состоит из радиолокационного, навигационно-пилотаж40

ного оборудования и средств управления и связи. Система НРТО УВД осуществляет информационное обеспечение контуров управления полетами и состоит из связных, радиолокационных и радионавигационных средств. АСКУ БРЭО осуществляет контроль параметров по двум видам: предполетная проверка, которая характеризуется малой продолжительностью и полнотой контроля и направлена на оперативную оценку работоспособности объекта по определяющим параметрам, и предварительная проверка, осуществляющая как контроль функционирования, так и диагностирование места неисправностей БРЭО. Проверка каждого параметра осуществляется при нескольких значениях рабочей частоты и заключается либо в формировании стимулирующих сигналов и измерении ответной реакции на них, либо в непосредственном измерении сигналов контроля. Центральной подсистемой является аппаратура стимуляции и преобразования сигналов (АСП). Обобщенная структурная схема АСКУ БРЭО представлена на рис. 8. В качестве источников стимулирующих сигналов в АСП используют синтезаторы частоты. Наличие в составе АСКУ БРЭО широкополосных синтезаторов частоты, следящих и управляющих систем приводит к зависимости времени проверки параметров от последовательности их контроля, что является главной особенностью АСКУ БРЭО. Бортовое оборудование имеет строгие ограничения по массе, габаритам и энергоемкости, которые должны учитываться при построении аппаратуры встроенного контроля и комплекса. Для НРТО УВД ограничения по массе и габаритам не столь существенны. Однако к АСКУ НРТО УВД предъявляются более жесткие требования в части дистанционного контроля и управления, поскольку сами контролируемые объекты могут быть значительно удалены (до 17 км) от контрольно-диспетчерского пункта (КДП). Наземное радиооборудование УВД относится к системе непрерывного действия, имеет 100%-й резерв и обладает возможностью как местного, так и дистанционного управления. Основным видом ТО этих средств на сегодняшний день является регламентное, которое характеризуется высокими эксплуатационными затратами. Действенным способом снижения этих затрат и повышения эффективности является повышение уровня автоматизации диагностирования технического состояния и переход на обслуживание НРТО УВД без постоянного присутствия обслуживающего персонала. Это вызывает необходимость создания АСКУ НРТО УВД с возложением на них 41

Устройства коммутации АСП

Аппаратура связи

БРЭО

Пульт оператора

СЦВМ

Измерение уровня мощности и напряжения

Калибраторы уровня

Измерение частоты

Стимуляторы высокочастотных сигналов связного диапазона

Измерение временных и нтервалов

Стимуляторы высокочастотных радиолокационных и навигационных сигналов

Измерение специальных сигналов

Преобразователи

Стимуляторы специальных сигналов

Стимуляторы низкочастотных сигналов АСП

Рис. 8

функций автоматизированного дистанционного контроля и управления, диагностирования и прогнозирования технического состояния радиосредств. Помимо указанных функций АСКУ должно обеспечивать комплексирование РТС УВД, т. е. возможность управления каждым средством с единого пульта. Из анализа особенностей функционирования и эксплуатации бортовых и наземных РТС обеспечения полетов (ОП) следует, что проектирование АСКУ таких систем должно выполняться с позиций системного подхода, с учетом характеристик объекта контроля, тактики его эксплуатации и ТО. 42

Результаты синтеза автоматизированной системы контроля и диагностирования РТС ОП целесообразно оценивать приращением ее эффективности. При этом необходимо установить связь основных показателей АСКУ с эффективностью системы контроля и диагностирования (WАСКУ) и определить влияние WАСКУ на качество РТС ОП. Показатель эффективности АСКУ технического состояния согласно [5] может быть представлен в виде WАСКУ =

(

ССК − САСКУ , ССД

)

j

H j 1 − A j B j +
Cп.о j − Cд j − C э j

j =1

CСД j

WАСКУ = ∑

,

где ССК, САСКУ – суммарные стоимостные затраты на техническое диагностирование до и после автоматизации, ∆Cп.o j = ∆Cп.o j η j = ˆ =Cп.o j − C п.o j – разность стоимости последствий отказов до и после автоматизации j-го вида РТС, Cп.оj = Cп.oj η j средняя стоимость доработок j-го вида РТС ОП при подготовке к автоматизированному диагностированию, Сэj – затраты на эксплуатацию АСКУ j-го РТС, Нj = Нj(ηj) – средние затраты на ручное техническое диагностирование, Аj = Aj(ηj), Bj =Bj(ηj) – коэффициенты, характеризующие снижение соответственно временных и стоимостных затрат на техническое диагностирование при его автоматизации.

( )

( )

Aj =

ˆ tд jTˆТД j nˆср С τj Tj , Bj = ,Hj = ncpjTТД j CTj . tˆд jTТД j nср CTj tд j

Здесь τ j – наработка j-го РТС за год эксплуатации; tдj – периодичность диагностирования; TТД j – средняя оперативная продолжительность технического диагностирования j-го РТС; ncpj , Сtj – соответственно среднее число и тарифная ставка специалистов, выполняющих диагностирование. Влияние показателей АСКУ на качество РТС ОП можно установить через стоимость последствий отказов Сп.о, поскольку она, являясь функцией пропускной способности системы диагностирования, одновременно определяется уровнем безопасности полетов, характеризуемым вероятностью взлета-посадки воздушного судна Рвп . Вероятность взлета-по43

садки задается требованиями IKAO и является основным показателем эффективности системы обеспечения полетов: Cп.о = M (t )(1 − Pвп )

N ВС

∑ Спi , i =1

где М(t) – суммарное число воздушных судов (ВС), находящихся в зоне аэродрома; Cпi – стоимость полета ВС i-го типа (i = I, NBC), отправляемого на второй круг или запасной аэродром, или стоимость последствий по причине невыполнения взлета-посадки. В зависимости от качества РТС ОП и системы ее обслуживания вероятность взлета-посадки можно представить следующим выражением: J

m jλ j2

j =1

2η j 2

Pвп = 1 − ∑

.

Отсюда следует, что Рвп определяется составом m и надежностью λj РТС ОП, пропускной способностью АСКУ этих средств ηj и не зависит от параметров потока воздушных судов. Недостаточная пропускная способность АСКУ приводит к снижению безопасности и регулярности полетов. Повышение уровня автоматизации системы контроля и диагностирования РТС ОП при сохранении заданных требований по надежности и достоверности контроля повышает эффективность АСКУ, снижает стоимость последствий отказов и приводит к повышению эффективности системы обеспечения полетов. Структуры централизованной АСКУ и децентрализованной АСКУ приведены на рис. 9 и 10, где УВВ – устройство ввода и вывода, содержащее дисплей, фотосчитывающее устройство, перфоратор, автоматическое печатающее устройство (АЦПУ); ВЗУ – внешнее запоминающее устройство; БСП – буферная стековая память, необходимая для записи, хранения и считывания аварийных сигналов; МПС – мультиплексор; МДМ – модемы. Централизованная система имеет одну управляющую ЭВМ на КДП и коммутационно-сигнальную аппаратуру (КСА) на объектах контроля. Децентрализованная система включает центральное и локальное управляющие звенья (ЦЗУ и ЛЗУ), содержащие ЭВМ. Локальные звенья управления выполняют следующие основные функции: циклический контроль каждого параметра средства, прогнозирование и регистрацию значения параметра на сутки вперед, диагностирование отказа или неисправности, автоматическое переключение на резерв, 44

МПС

ЦВМ

...

УВВ

ВЗУ

БСП

Общая шина данных и управления

МДМ N

...

МДМ 1 . ЛС 1

ЛЗУ N

ЛЗУ 1

МДМ N

МДМ 1

АЦП 1

ШФР 1

АЦП N

Коммуникатор 1

ДН 1

ШФР N

Коммуникатор N

ИУ 1

ДН N

ДС 1

ИУ N

ДС N

Рис. 9

прием и исполнение команд управления РТС, посылку сообщения об исполнении команд на КДП. Центральная ЭВМ передает команды управления в ЛЗУ, принимает сигналы состояния комплекса РТС и регистрирует их, осуществляет индикацию на дисплее состояния любого функционального узла комплекса средств в любой час любых последних десяти суток. Важной особенностью комплекса наземных радиосредств УВД с позиций обеспечения полетов является его непрерывная работа. Поэтому при реализации АСКУ в аэропорту функционирование радиосредств не должно нарушаться или прерываться. Такое требование обеспечивается включе45

МПС

ЦВМ

УВВ

ВЗУ

БСП

Общая шина данных и управления

...

ЦЗУ

МДМ N

МДМ 1

...

МДМ 1

ЛЗУ 1 ...

ЛЗУ N

Общая шина данных и управления

ЦВМ 1

АЦП 1

ВЗУ 1

ШФР 1

МДМ N

ЦВМ N

Коммутатор 1

Датчики нормальные

Исполнительные устройства

Датчики состояний

Рис. 10

нием в состав АСКУ устройства сопряжения АСКУ с НРТО и расположенным на КДП пультом управления средствами. Это обеспечивает распараллеливание информационных потоков между КДП и ЭВМ и делает возможным управление НРТО как с пульта КДП, так и с помощью АСКУ. При построении АСКУ на основе ЭВМ необходимо руководствоваться следующими требованиями к ее аппаратному и программному обеспечению: согласованность АСКУ с АСУ аэропорта по типу используемой вычислительной техники и возможность организации базы данных и реализации диагностирования и прогнозирования технического состояния всех основных и резервных наземных радиосредств УВД, невысокая трудоемкость. 46

5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТОЙКОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ АРЭО ПРИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

5.1. Общие вопросы тепловой защиты АРЭО Радиоустройства при своем функционировании используют энергию от источников питания на формирование рабочих сигналов. Значительная часть энергии питания этих устройств преобразуется в тепловую и передается в окружающую среду. Все элементы РЭА делятся на термоактивные, т. е. такие элементы, которые при своей работе выделяют тепло, и термопассивные – элементы, которые при своей работе тепла не выделяют. По причине наличия термоактивных элементов температура внутри блока РЭА всегда будет выше окружающей температуры, т. е. блок будет термонагруженным. При этом снижается эксплуатационная надежность АРЭО, а в ряде случаев такое воздействие может привести к отказу. К примеру, для вычислительного комплекса, где основными термоактивными элементами являются интегральные микросхемы, теплонагруженность стойки достигает 5кВт/м3 для РЭА 3-го поколения и 50 кВт/м3 для аппаратуры 4-го и 5-го поколений [6]. При любой теплонагруженности блока температура кристалла ИС не должна быть выше 70°С и превышение ее приводит к отказу ИМС. Общая задача охлаждения РЭА разделяется на две: обеспечение отвода тепла от термоактивных элементов на несущую конструкцию и в теплоноситель; обеспечение массопереноса теплоносителя и связанной с этим теплопередачи на высших структурных уровнях РЭА. Решение указанных задач обеспечивают устойчивость и стойкость (прочность) РЭА. При этом под устойчивостью понимают свойство аппаратуры сохранять свои параметры, оговоренные в ТУ, находясь в рабочем состоянии при различных воздействиях (для температурных воздействий – термоустойчивость). Стойкость (прочность) определяется свойствами РЭА сохранять свои параметры после воздействий. В ТУ на АРЭО приводятся требования на рабочие и предельные нагрузки воздействий дестабилизирующих факторов, определяемых видом и типом аппаратуры, а также требованиями по устойчивости и стойкости. При анализе эксплуатационной надежности АРЭО с позиций термостойкости и термоустойчивости необходимо учитывать общий температурный фон устройства, который определяется удельной мощнос47

тью тепловыделения и плотностью теплового потока, проходящего сквозь корпус устройства. Широкое использование ИМС и микросборок в АРЭО позволило существенно увеличить плотность компоновки и сократить объем. Это привело к повышению удельной мощности рассеяния и возрастанию температуры внутри блока по сравнению с аппаратурой, построенной на дискретных элементах. Чтобы снизить температуру внутри блока, необходимо применять специальные меры к охлаждению аппаратуры. Под охлаждением РЭА понимают процесс отвода и переноса тепла от термоактивного элемента к среде, температура которой остается неизменной или поддерживается в необходимых пределах с целью термостабилизации. Тепловой режим РЭА есть пространственно–временное распределение температуры, соответствующее определенному пространственно-временному распределению термовыделения в РЭА. Под заданным тепловым режимом в РЭА понимают такой тепловой режим, при котором температура каждого из элементов РЭА равна заданной или не превышает ее. Все системы охлаждения, используемые в РЭА, по виду теплоносителя делятся на воздушные, жидкостные и испарительные. При этом наибольшей интенсивностью обладают испарительные системы охлаждения, в которых охлаждение РЭА происходит за счет изменения агрегатного состояния теплоносителя. 5.2. Способы теплопередачи Физический перенос тепла от нагретой к холодной зоне РЭА осуществляется несколькими способами: теплопроводностью кондукционным способом, тепловым излучением и конвекцией. Теплопроводность имеет место при передаче тепла от одного тела к другому, находящемуся с ним в непосредственном контакте. Этот процесс передачи тепла определяется законом Фурье и для количественного значения переносимого теплового потока Qт выражается соотношением

Qт =

αт (T1 − T2 ) S т ,
т

где αт – коэффициент теплопроводности материала;
т – длина пути теплового потока; Sт – теплопроводящая площадь; Т1, Т2 – соответственно температура нагретого и холодного тела. 48

Из приведенного выражения следует, что при разработке АРЭО необходимо теплопроводящие системы выполнять короткими, в соединениях деталей обеспечивать тепловой контакт по всей площади, а материалы выбирать с большим коэффициентом теплопроводности. Тепловое излучение представляет собой передачу тепловой энергии в виде электромагнитных колебаний. Вначале тепловая энергия нагретого тела переходит в лучистую энергию и распространяется в окружающее пространство. Далее при встрече с другим телом лучистая энергия нагревает его, превращаясь в тепло. Теплопередача излучением Qλ определяется законом Стефана-Больцмана и в общем виде выражается соотношением Qλ = α λ (Tи − Tн ) Sλ ,

где αλ – коэффициент теплопередачи излучением; Ти, Тн – соответственно температура излучающей и нагреваемой поверхности; Sλ – площадь излучающей поверхности. Коэффициент теплопередачи излучением определяется выражением α λ = 5,67ε

(Tи /100 )4 − (Tн /100)4 ,

Tи − Tн где 5,67 – коэффициент излучения абсолютно черного тела; ε – степень черноты излучающей поверхности. С учетом приведенных выражений закон излучения тепла можно представить в следующем виде: 4 4 Qλ = 5,67ε (Tи /100 ) − (Tн /100 )  Sλ .   Лучистая энергия не только поглощается поверхностью, но и отражается ею. Степень поглощения или отражения зависит от состояния излучающей или поглощающей поверхности. Отвод тепла теплоизлучением широко используют в АРЭО. Так, например, в целях защиты теплочувствительных пассивных элементов от перегрева в блоках используют теплопоглощающие или теплоотражающие экраны. Первые имеют матовую оксидированную поверхность черного цвета, вторые – глянцевую, зеркальную или полированную поверхность светлых тонов. Использование экранов позволяет не только снижать местные перегревы в блоках, но и выравнивать температурное поле внутри прибора.

49

Теплопередача конвекцией происходит в среде газа, воздуха или жидкостей, соприкасающихся с нагретыми или охлажденными поверхностями твердого тела. Процесс теплопередачи конвекцией определяется законом Ньютона Qк = α к (Tк − Tс ) Sк ,

где Qк – мощность, передаваемая в виде тепла; λк – коэффициент теплопередачи конвекций; Sк – площадь теплоотводящей поверхности; Тс – температура окружающей среды. Различают конвекцию свободную (естественную) и принудительную. Свободная конвекция имеет место при нагреве частиц газа или жидкости, находящихся в непосредственном контакте с нагретым телом. Здесь нагретые частицы окружающей среды постоянно перемещаются вверх и заменяются более холодными, отчего происходит непрерывное перемешивание среды. Искусственная конвекция относится к принудительному виду охлаждения и происходит за счет интенсивного перемешивания теплонесущей среды или механического ее замещения. Для случая естественной конвекции коэффициент теплопередачи может быть представлен как функция

(

)

αк = f Tн , Tср , β, λ, Cср , γ, α, q,ф ,

где Тн – температура нагретой поверхности твердого тела; Тср – температура холодной среды (газа, жидкости); β – коэффициент объемного расширения среды; α – коэффициент температуропроводности жидкости; λ – коэффициент теплопроводности среды; Сср – удельная теплоемкость среды; γ – коэффициент кинематической вязкости среды; q – ускорение силы тяжести; ф – размер охлаждаемого тела и состояние поверхности. Из обозначенной функциональной зависимости видно, что количество аргументов-параметров процесса охлаждения велико и сам процесс оценивать достаточно сложно. Поэтому коэффициенты теплопередачи удобнее определить не этими параметрами, а связанными с ними критериальными уравнениями, полученными из теории подобия. Критериальные уравнения подробно описаны в литературе [6, 7]. Конструктора РЭА, в большинстве случаев, должен удовлетворять расчет с точностью до 10–15 %, основанный на принципе подобия. Такой расчет носит оценочный характер и позволяет установить исходные параметры конструкции. 50

5.3. Оценка способа охлаждения АРЭО Задача расчета теплового режима АРЭО формируется в следующем виде: для заданных мощностей РЭА, распределения источников тепла, режимов и работы аппаратуры, физических свойств материалов, условий эксплуатации определить температурное поле радиоаппарата, его перегрев и на основании этого разработать систему охлаждения. В общем виде температура нагрева j-й области РЭА является функцией мощности источников тепла Р и времени τt ° j = t ° j ( P, τ ) . В установившемся режиме перегрев аппарата не зависит от времени. Температура t°j является аддитивной функцией температуры среды t°c и перегрева θj по отношению к температуре среды. Зависимость перегрева θj от суммарной мощности PΣ всех источников тепла, действующих в аппарате, называется тепловой характеристикой j-й области аппаратуры θj = θj (PΣ). В классическом виде расчет теплового режима требует разработки подробной тепловой модели РЭА, представляющей совокупность уравнений, описывающих температурное поле аппаратуры с учетом параметров конструкции, эксплуатационных требований и параметров окружающей среды. Решение модели реализуется численными или аналитическими методами. Вопросам обеспечения тепловых режимов таким способом посвящен раздел науки под названием «Теплотехника». Для РЭА разработана методика теплового расчета коэффициентным способом, которая с достаточной степенью точности просто и быстро позволяет решать конструкторские вопросы теплообеспечения радиоаппаратуры. При этом не требуется специальных знаний по теплообмену. Подробно методика представлена в [8, 9]. К примеру с использованием коэффициентного метода произведем предварительную оценку тепловой нагрузки радиоблока для наземной стационарной аппаратуры, работающей в закрытом помещении с умеренным климатом. Расположение блоков в стойке может быть вертикальное или горизонтальное; габаритные размеры блока L1, L2, L3, количество термоактивных радиоэлементов в блоке – n, мощность одного термоактивного элемента Рi; t°д – допустимая температура нагретых зон внутри блоков; t°c – температура окружающей среды. Порядок расчета 1. Зная режимы работы и мощность термоактивных элементов блока, определим тепловую мощность, выделяемую этими элементами и отнесенную к единице поверхности блока Руд: 51

n

Pуд =

∑ Pi i =1

2 ( L1L2 + L1L3 + L3 L2 )

.

2 . Определим допустимый нагрев внутри блока

θд = t °д − t °с. 2. С учетом результатов расчетов спроектируем точку на диаграмме, приближенной к способу охлаждения РЭА (рис. 11). В зависимости от значений Руд и θд могут получиться следующие варианты расположения точки: заданная точка лежит выше линии а (шасси вертикальное) или а' (шасси горизонтальное) – можно применять герметичную пылезащитную конструкцию; точка лежит между кривыми а и b для вертикального шасси или а', b' для горизонтального шасси – необходимо использовать перфорированный кожух. В этом случае нужно провести дополнительный расчет. Точка оказывается ниже линии b или b', при этом требуется принудительное охлаждение. При отводе тепла с помощью перфорированного кожуха можно пользоваться графиком (рис. 12), отражающим зависимость отводимой мощности от площади перфорации. Из графика видно, что увеличение площади отверстий имеет предел, определяемый положением, когда конC° a

a'

Рпер Рг 1,4

40

b

b'

1,2

20

1,0

0

20

Рис. 11

52

40

Руд

0

10

20

Рис. 12

30

40

Sотв % Sбл

дукционный и конвекционный механизмы охлаждения РЭА становятся приблизительно равными. Использование графического метода расчета тепла может быть рекомендовано для курсового и дипломного проектирования, несмотря на то, что сам метод обладает относительно невысокой точностью. 5.4. Конструктивные приемы охлаждения аппаратуры Улучшить передачу тепла от теплонагруженных элементов к холодным и теплоемким деталям конструкции можно за счет снижения тепловых сопротивлений. Малые тепловые сопротивления внутри участков блока от корпуса ко всем элементам конструкции способствуют выравниванию температуры внутри блока, что приводит к повышению надежности АРЭО. В некоторых случаях передача тепла теплопроводностью является единственным возможным способом. Это касается герметичных блоков с высокой плотностью заполнения. Большое значение имеют тепловые контакты в соединительных узлах мощных транзисторов с радиаторами. Если между металлическими поверхностями находится изоляционная прокладка, то тепловое сопротивление увеличивается в сотни раз. В конструкционном соединении теплопроводность контакта будет зависеть от шероховатости поверхностей соединяемых элементов, от контактного давления и соединяемых материалов. Загрязнения, неровности нарушают тепловой контакт. Контактное тепловое сопротивление может быть уменьшено за счет применения материалов с большой теплопроводностью, выбора более пластичных материалов, уменьшения шероховатости соединяемых поверхностей с одновременным увеличением давления. Металлами, обеспечивающими малое тепловое сопротивление, являются медь и алюминий. Конструкция, в которой используется принудительная воздушная вентиляция, должна отвечать следующим требованиям: малое аэродинамическое сопротивление протекающему воздуху; хороший доступ холодного воздуха к теплонагруженным элементам; защита внутреннего объема от пыли; автоматическое отключение блока при выходе из строя системы принудительной вентиляции. Подробно теплофизическое конструирование радиоаппаратуры представлено в специальной литературе и в учебниках по конструированию РЭА, в частности в [6–9]. 53

6. ЗАЩИТА АРЭО ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

6.1. Обеспечение виброустойчивости и вибропрочности АРЭО Все виды РЭА подвергаются воздействию внешних механических нагрузок, которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию. Механические воздействия имеют место в работающей РЭА, если она установлена на подвижном объекте, или только при транспортировке ее в нерабочем состоянии. В случае стационарной и некоторых видов передвижной РЭА. Различают два понятия: вибрационная устойчивость и вибрационная прочность. Вибрационная устойчивость – свойство объекта при заданной вибрации выполнять заданные функции и сохранять значения своих параметров в пределах нормы. Вибрационная прочность – прочность при заданной вибрации и после ее прекращения. Воздействие транспортной тряски складывается из ударов и вибраций. Введение амортизаторов между РЭА и объектом в качестве среды, уменьшающей амплитуду передаваемых колебаний и ударов, снижает действующие на РЭА механические силы, но не уничтожают их полностью. В некоторых случаях образованная с введением амортизаторов резонансная система влечет за собой возникновение низкочастотного механического резонанса, который приводит к увеличению амплитуды колебаний РЭА. При этом значительно усиливаются нагрузки, передаваемые на конструкцию РЭА. Элементы конструкций РЭА обладают своими механическими резонансными частотами. В зависимости от массы и жесткости закрепления элементов может в широких пределах меняться их механическая резонансная частота. Колебания элементов конструкции могут вызвать чрезмерное механическое напряжение, влекущее за собой недопустимые деформации либо разрушение. При разработке конструкции РЭА необходимо обеспечить требуемую жесткость и механическую прочность ее элементов. Жесткость конструкции есть отношение действующей силы к деформации конструкции, вызванной этой силой. Под прочностью конструкции понимают нагрузку, которую может выдержать конструкция без остаточной деформации или разрушения. Повышение прочности конструкции РЭА связано с усилением ее конструктивной основы, применением ребер жесткости, контровки болтовых соединений и т. д. Осо54

бое значение имеет повышение прочности несущих конструкций и входящих в них узлов методами заливки и обволакивания. Заливка пеноматериалом позволяет сделать узел монолитным при незначительном увеличении массы. Во всех случаях нельзя допускать образования механической колебательной системы. Это касается крепления монтажных проводов, микросхем, экранов и других частей, входящих в РЭА. Любой блок радиоаппаратуры, с точки зрения механических колебаний, может быть представлен в виде совокупности масс, соединенных с несущими конструкциями блока механическими упругими связями. В этом случае каждая масса при определенных условиях способна совершать колебательные движения. Эти колебания будут характеризоваться амплитудой и частотой. По характеру эти колебания могут быть свободными или вынужденными. Вынужденные колебания будут происходить с частотой возмущающих колебаний во время действия этих колебаний. Собственные колебания происходят после прекращения возмущающих колебаний. Частотный диапазон механических нагрузок, усилия и ускорения при динамических ударных нагрузках, линейные нагрузки, которые будут действовать на аппаратуру в процессе эксплуатации, конструктор знает из технического задания на проектирование либо из условий эксплуатации носителя, на котором будет установлена РЭА. Причинами отказов аппаратуры в результате действия вибрационных нагрузок могут являться ложные срабатывания реле, нарушение контактов, изменение емкости переменных и подстроечных конденсаторов. Вибрационные нагрузки могут вызвать ослабление механических соединений и креплений отдельных элементов конструкции, в подвижных соединениях может наблюдаться повышенный износ. Периодически действующие ударные импульсы могут вызвать повреждения и отказы того же характера. Чаще всего причиной поломок элементов конструкции является усталость материала, которая накапливается при длительном воздействии знакопеременных нагрузок при вибрации. Усталостные явления проявляются быстрее при больших механических напряжениях, возникающих в конструкциях. Это говорит о том, что основную опасность представляют колебания с большими амплитудами, в частности механический резонанс. 55

Основные конструктивные приемы, которыми пользуется конструктор для обеспечения нормального функционирования РЭА при больших механических нагрузках на носители, следующие: отстройка системы от резонанса путем изменения упругой жесткости или массы РЭА; уменьшение амплитуды колебаний аппаратуры при возникновении механического резонанса путем демпфирования системы; уменьшение амплитуды колебаний на РЭА путем применения элементов вибро-и удароизоляции. Для выбора метода защиты аппаратуры от механических нагрузок составляют на основе реальной конструкции ее механическую модель, анализируя которую и решают вопрос о наиболее рациональном методе защиты. Параметры колебаний отдельных масс блока и блока в целом могут быть определены аналитически, но для сложных систем такие расчеты оказываются слишком громоздкими. Поэтому всегда при инженерных расчетах стремятся ввести некоторые упрощения. Это приводит к снижению точности расчетов, но зато дает большую экономию времени, что важно при жестких сроках проектирования. Аналитические методы позволяют: 1) выявить физическую сущность явлений при колебаниях различных механических систем; 2) проанализировать зависимость параметров колебательных систем от различных внешних воздействий; 3) рассчитать основные характеристики и параметры системы в процессе проектирования. Определение механических нагрузок, действующих на аппаратуру, начинается с определения собственных резонансных частот устройства. Если аппаратура установлена на амортизаторах, то характеристики упругой жесткости и демпфирования будут определяться параметрами амортизаторов. При непосредственном креплении несущих конструкций РЭА на носителе жесткость системы находится на основе анализа элементов крепления и несущей конструкции устройства. Рассмотрим методику определения собственных резонансных частот блока, имеющего упругие связи с носителем. В общем случае система имеет шесть степеней свободы и, следовательно, может совершать шесть различных колебаний, из которых три будут линейными колебаниями, а три – крутильными. Основными параметрами, которыми обычно характеризуются гармонические колебания блоков, будут: f – частота, Гц; Ах – амплитуда ускорения, м/с2, Аv – амплитуда скорости, м/с; Аω – амп56

литуда ускорения, м/с2; Аr – скорость нарастания ускорения или динамическая перегрузка, м/с3. Эти параметры связаны между собой: Ar = ωAω = ω2 Av = ω3 Ax ,

где ω = 2pf. Для расчета защиты от механических воздействий необходимы следующие исходные данные: 1. Параметры механических воздействий на носителе (диапазон частот вибрационных колебаний; амплитудные значения ускорения в направлении действующей вибрации; продолжительность действия вибрации; скорость изменения частоты вибраций; уровень и направление действия линейных перегрузок; уровень, форма и длительность действия ударных импульсов; число ударных импульсов и частота их следования; высота возможного падения аппаратуры на некоторое основание, параметры которого оговариваются особо). 2. Параметры внешней среды (предельная температура окружающей среды; температура и время пребывания РЭА при максимальной относительной влажности; диапазон возможных изменений атмосферного давления; срок эксплуатации и время складского хранения аппаратуры; условия транспортировки РЭА). 3. Конструктивные параметры аппаратуры (масса и положение центра масс; момент инерции относительно главных осей; основные габаритные и присоединительные размеры). 4. Допустимые динамические воздействия на РЭА (амплитуды перемещения и ускорения; коэффициент динамичности (виброизоляции) в заданном диапазоне частот). 5. Статические и динамические характеристики амортизаторов. При решении конкретной задачи не все из перечисленных параметров могут быть необходимы или известны. Число параметров определяется в зависимости от условий конкретной задачи. Изготавливать узлы РЭА настолько прочными, чтобы они противостояли различным механическим воздействиям, нецелесообразно, поскольку увеличение прочности конструкции в конечном итоге приводит к увеличению массы и, как следствие, – к росту динамических перегрузок. Поэтому основным способом изоляции РЭА от вибраций и ударов является установка аппаратуры на опоры в виде резиновых, металлорезиновых и металлопружинных амортизаторов. 57

Основные частотные характеристики амортизаторов приведены в табл. 1. Таблица 1 Вид амортизатора

Частота собственных колеба- Диапазон возмущающих колебаний, ний в нагруженном состоянии подвергающихся виброизоляции

Низкочастотные

4

5–60

Среднечастотные

8–12

15–600

Высокочастотные

20–30

35–2000

Противоударные амортизаторы изолируют радиоаппаратуру от механической перегрузки таким образом, что собственная частота системы (прибор на амортизаторах) становится выше частоты вынужденных колебаний, противовибрационные приводят систему в состояние, когда ее частота становится ниже частоты вынужденных колебаний. Поэтому в большинстве случаев вибрации РЭА изолируются среднечастотными, а удары – высокочастотными амортизаторами. Следует отметить, что виброзащищенная РЭА сравнительно легко переносит удары; в то же время РЭА, защищенная от ударов, вибрации переносит плохо. 6.2. Расчет амортизационной системы В общем случае процесс конструирования РЭА с позиции защиты от механических воздействий должен содержать следующие основные этапы. 1. Обеспечение собственной жесткости и прочности конструкции. 2. Определение схемы крепления амортизаторов и выбор их типа. 3. Определение собственной резонансной частоты конструкции РЭА с учетом выбранных амортизаторов и их расположения и оценка виброизоляции. 4. Проверка защищенности РЭА от воздействия ударных импульсов заданной формы и длительности. 5. Проверка устойчивости конструкции к линейным перегрузкам. 6. Защита РЭА от транспортной тряски с помощью соответствующей упаковки. Приведем один из способов расчета амортизационной системы. На рис. 13 показана схема амортизации радиоаппаратуры с одной степе58

X

A0 , f 0 O'

m

O

С

Aв , f в

Рис. 13

нью свободы, где А0, Ав – максимальная амплитуда свободных и вынужденных колебаний; f0, fв – частота свободных и вынужденных колебаний; m – масса прибора; С – жесткость системы амортизации. При воздействии сигналов вибрации значение перемещения прибора может быть представлено Χ = A0 sin ωв t ,

т. е возникает периодическое синусоидальное движение с частотой вынужденных колебаний, с увеличением массы частота уменьшается, а с увеличением жесткости пружины частота увеличивается. Вторая производная по времени от этого значения дает величину мгновенного ускорения X

= A0 ωв2 sin ωв t .

При этом максимальное ускорение, действующее на прибор, будет составлять X

max = A0 ωв2 = A0 4π2 f в2 .

Значение ускорения, действующего на прибор, принято выражать в единицах ускорения силы тяжести X

= jq, q = 9,8 м/c 2 ,

A0 4π2 f в2 = jq .

59

Тогда действующая перегрузка в единицах силы тяжести j = A0 f в2 / 250. Действующая механическая нагрузка на прибор зависит от типа аппаратуры и места установки этой аппаратуры в объекте. Для разрабатываемой РЭА она задается в единицах силы тяжести. Методика расчета механической нагрузки прибора может быть представлена в следующем виде. Исходные данные: масса прибора – m; максимально допустимая перегрузка – j; схема крепления прибора на амортизаторы и их количество –N; частота вынужденных колебаний – fв.

Порядок расчета 1. Определить максимальную амплитуду колебательной системы

A0 = 250 j / f

2 . B

2. Линейная жесткость системы амортизации C = m / A0 .

3. Определить нагрузку на один амортизатор. При симметричном расположении амортизаторов Рi = m/N. По результатам расчета из [6, 7] или, используя соответствующие ГОСТы, выбрать тип амортизатора. 4. Рассчитать собственную частоту прибора с амортизацией f 0 = 0,16 С / m .

5. Проверить коэффициент расстройки системы амортизации γ = fв / f0 .

Практически для амортизированной системы условия виброизоляции обеспечиваются, если коэффициент расстройки находится в пределах 2–5. Нижний предел нежелателен, поскольку он приближает систему к резонансу; верхний увеличивать технически нецелесообразно, так как эффект виброзащищенности свыше этого предела практически остается постоянным. 60

7. ЭЛЕМЕНТНАЯ И КОНСТРУКТИВНАЯ ОСНОВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ

7.1. Принципы модульного конструирования радиоэлектронной аппаратуры и базовые несущие конструкции Конструкция АРЭО объединяет все элементы, составляющие электрическую схему устройства или системы, и должна отвечать требованиям, предъявляемым к этому типу АРЭО. Оптимальное удовлетворение этих требований может быть осуществлено только путем рационального разбиения схемы устройства на относительно мелкие, часто повторяющиеся участки, реализуемые в виде типовых конструктивных единиц. Конструкция машины, разработанная без особенностей технологии изготовления и эксплуатации, как правило, обладает низкой надежностью и оказывается нежизнеспособной . Вопросы рационального конструирования РЭА на основе модулей являются чрезвычайно важными в общей проблеме обеспечения качества и эффективности радиоаппаратуры. В мировой практике наметилось три основных пути реализации данного подхода. Первый связан с применением функциональных модулей малой сложности в виде небольшой печатной платы с установленными на ней разъемами и радиоэлементами. В данном случае аппаратура создается на основе каталога стандартных по функциям электронных модулей. Второе направление заключается в компоновке образцов РЭА из крупных функционально законченных модулей в виде блоков питания, памяти и др. [10]. Третье направление, наиболее перспективное, использует модульный принцип на всех уровнях конструктивной иерархии, когда модули РЭА более высоких уровней составляются из модулей более низких уровней. Такой подход реализован при создании единой системы ЭВМ/ЕС [11]. Выбор типовых решений по базовым конструкциям ЕС ЭВМ основывается на общих технических требованиях к ЕС ЭВМ и исходит из следующих предпосылок: использование единой элементной базы; применение модульного принципа конструирования; построение функционально законченных узлов и блоков; упорядоченная организация связей. 61

Для построения электронных устройств ЕС ЭВМ используется пять модульных уровней, каждый из которых является базовой конструкцией: модуль нулевого уровня – интегральная микросхема; модуль первого уровня – ТЭЗ, содержащий до 72 микросхем и представляющий собой узел функциональной схемы, выполняющий операции логического преобразования информации над частью разрядов машинного слова; модуль второго уровня состоит из типовых элементов замены с количеством до сорока; модуль третьего уровня – рама, содержащая до шести панелей; например, функционально законченная схема в объеме одной рамы представляет арифметическое устройство или устройство управления процессором; модуль четвертого уровня – это стойка, содержащая до трех рам; предназначена для размещения оборудования процессора, каналов или устройства управления и т. п. Модульный принцип построения систем позволяет максимально продлить срок их службы без существенного морального износа за счет поэтапной модернизации отдельных электронных модулей. В целом все направления модульного проектирования основываются на общетехническом принципе агрегатирования, который формулируется следующим образом: законченное радиотехническое устройство с самостоятельной функцией представляет собой агрегат, состоящий из нескольких независимых устройств – модулей; расчленение на модули производится таким образом, чтобы каждый из них выполнял определенную функцию, присущую ряду агрегатов, и при этом имел конструктивно-технологическую законченность; виды сопряжений модулей должны обеспечивать их сборку в агрегат с заданными технико-эксплуатационными характеристиками; функциональное разнообразие агрегатов достигается различным сочетанием модулей, а также возможностью наращивания структуры агрегатов в процессе их эксплуатации; средства одного функционального назначения должны образовывать параметрические ряды. Основным условием агрегатирования является совместимость агрегатных средств – модулей. Концепция совместимости, включающая в 62

настоящее время требования, удовлетворяющие таким ее видам, как энергетическая (электрическая), информационная, метрологическая, конструктивная и эксплуатационная, основана на последовательной унификации и стандартизации модулей. Это значительно сокращает сроки проектирования и введения в эксплуатацию РЭА. Принципы модульного конструирования РЭА привели к необходимости существенно ограничить номенклатуру несущих конструкций и перейти к производству их основных деталей на специализированных заводах. Подобные конструкции были разработаны и получили название базовых несущих конструкций (БНК). Базовые несущие конструкции выбираются исходя из условий эксплуатации проектируемой РЭА и при правильном их применении гарантируют не только соответствие РЭА этим условиям, но и технологичность в производстве. Использование БНК имеет большое значение, как для разработчиков, так и для производственников. Первые избавляются от наименее творческого, рутинного, кропотливого труда по разработке деталей конструкции РЭА и получают возможность эффективно использовать системы автоматизированного проектирования (САПР). Вторые избавляются от широкой номенклатуры деталей и получают возможность эффективно использовать высокопроизводительное оборудование. В эксплуатации при этом появляется возможность существенной модернизации оборудования без замены его конструктивных элементов. Не следует думать, что применение БНК приводит к существенной избыточности конструкции РЭА. Развитие БНК обеспечивает модульное наращивание конструкции по вертикали, по горизонтали и по глубине, возможность создания напольных, настольных и встроенных конструкций, использование печатных узлов (плат) различного размера и с разным шагом установки, возможность применения естественного или принудительного охлаждения, размещение в стационарных помещениях, в контейнерах или в кузовах и т. п. При создании крупных объектов применение определенных БНК обеспечивает конструктивное единство, удобство размещения и эксплуатации разнородной РЭА, разработанной различными организациями и в разное время. Крупномасштабное автоматизированное производство элементов БНК на специализированных заводах не только гарантирует качество, но и снижает материалоемкость за счет использования прогрессивных технологий. 63

7.2. Применение интегральных микросхем при конструировании АРЭО Микроминиатюризация является основным направлением создания авиационного радиоэлектронного оборудования, обеспечивающим как высокую эксплуатационную надежность, так и малые габаритные и весовые показатели аппаратуры. При этом в качестве основного элемента схемы используется интегральная микросхема. Микроэлектроника – это раздел электроники, включающий исследование, конструирование и производство интегральных микросхем и радиоэлектронной аппаратуры на их основе. Интегральная микросхема (микросхема) – это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов), которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое. Элемент – это часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделена как самостоятельное изделие. Под электрорадиоэлементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор и др. Элементы могут выполнять и более сложные функции, например логические (логические элементы) или запоминание информации (элементы памяти). Компонент – это часть микросхемы, реализующая функцию какоголибо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие. Компоненты устанавливаются на подложке микросхемы при выполнении сборочно-монтажных операций. К простым компонентам относятся бескорпусные диоды и транзисторы, специальные типы конденсаторов, малогабаритные катушки индуктивности и др. Сложные компоненты содержат несколько элементов, например диодные сборки. Плотность упаковки – это отношение числа простых компонентов и элементов, в том числе содержащихся в составе сложных компонентов, к объему микросхемы без учета объема выводов. С точки зрения внутреннего устройства микросхема представляет собой совокупность большего числа элементов и компонентов, размещенных на поверхности или в объеме общей диэлектрической или полупроводниковой подложки. Термин «интегральная» отражает конструк64

тивное объединение элементов и компонентов, а также полное или частичное объединение технологических процессов их изготовления. При использовании в радиоэлектронной аппаратуре сами микросхемы являются элементами, т. е. простейшими неделимыми единицами. В этом смысле они составляют базу радиоэлектронной аппаратуры. Критерием оценки сложности микросхемы, т. е. числа N содержащихся в ней элементов и простых компонентов, является степень интеграции. Она определяется коэффициентом К = λgN, значение которого округляется до ближайшего большего целого числа. Так, микросхема первой степени интеграции (К = 1) содержит до 10 элементов и простых компонентов, второй степени интеграции (К = 2) – свыше 10 до 100, третьей степени интеграции (К = 3) – свыше 100 до 1000 и т. д. В настоящее время микросхему, содержащую 500 и более элементов, изготовленных по биполярной технологии, или 1000 и более элементов, изготовленных по МДП-технологии, называют большой интегральной микросхемой (БИС). Если число элементов превышает 10000, то микросхему называют сверхбольшой (СБИС). По функциональному назначению микросхемы подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровая микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. В аналоговых микросхемах сигналы изменяются по закону непрерывной функции. Самый распространенный тип аналоговых микросхем – это операционные усилители. Частным случаем аналоговых являются микросхемы диапазона СВЧ. Конструктивно-технологическая классификация микросхем учитывает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По конструктивно-технологическим признакам различают полупроводниковые и гибридные микросхемы. В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Структура содержащая элементы, межэлементные соединения и контактные площадки (металлизированные участки, служащие для присоединения внешних выводов), называется кристаллом интегральной микросхемы. В большинстве полупроводниковых микросхем элементы располагаются в тонком (толщиной 0,5–10 мкм) приповерхностном слое полупроводника. Поскольку удельное сопротивление полупроводника невелико (1–10 Ом·см), а элементы должны быть изолированными друг от друга, необходимы специальные изолирующие области. 65

На рис. 14, а, б, показаны соответственно структура и электрическая схема простейшей полупроводниковой микросхемы, состоящей из биполярного п-р-п транзистора и резистора. Структура содержит слаболегированную подложку 1 р-типа, активный полупроводниковый слой nтипа, в котором кроме транзистора и полупроводникового резистора (слой р-типа) созданы изолирующие области 2 из диоксида кремния. На поверхности полупроводника сформирован диэлектрический слой диоксида кремния, на котором расположены металлические проводники. Основным полупроводниковым материалом микросхем является кремний. Важное конструктивно-технологическое преимущество кремния связано со свойствами слоев диоксида кремния, получаемых на его поверхности при окислении. Эти слои используют в качестве масок при локальном легировании кремния примесями, для изоляции элементов в качестве подзатворного диэлектрика МДП-транзистора, а также для защиты поверхности кристалла от влияния окружающей среды и др. Досa)

Al

Э SiO2 n

Б

К SiO2

p

n+

SiO2 p n

n n+

Si 1

б) R Выход

Вход VT

Рис. 14

66

n

Резистор

Транзистор

2

SiO2

таточно большая ширина запрещенной зоны кремния обуславливает малые обратные токи р-п-переходов, что позволяет создавать микросхемы, работающие при повышенных температурах (до 125°С) и при малых токах транзисторов (менее 1 мкА), т. е. низкой потребляемой мощности. В последнее десятилетие в ограниченных масштабах начато применение арсенида галлия, отличающегося большей подвижностью электронов. На его основе создают микросхемы с повышенным быстродействием или более высокими рабочими частотами (диапазон СВЧ). Однако арсенид галлия очень дорогой материал, а технология арсенид-галлиевых микросхем сложнее, чем кремниевых. В некоторых микросхемах слой кремния, в котором формируются элементы, выращивают на диэлектрической подложке, в частности из сапфира (структура типа «кремний на сапфире»). Она обеспечивает повышенную радиационную стойкость. Разновидностью полупроводниковых являются совмещенные микросхемы, в которых транзисторы размещают в активном слое кремния, а пленочные резисторы и диоды, как и проводники, – на слое диоксида кремния. Важным показателем качества технологии и конструкции является плотность элементов на кристалле – число элементов, приходящихся на единицу его площади. Для повышения плотности элементов применяют метод совмещения: некоторые области полупроводникового слоя используют для выполнения нескольких (обычно двух) функций, например базы биполярного n-р-n-транзистора и коллектора р-n-р-транзистора, стоковой области одного МДП-транзистора и истоковой области другого. С этой же целью проводятся исследования и разработки трехмерных структур: элементы изготавливают в нескольких (обычно двух) слоях кремния, разделенных диэлектрическими прослойками, или создают канавки в кремниевой подложке и формируют элементы на их боковых поверхностях. Основные тенденции развития полупроводниковых микросхем – увеличение степени интеграции и быстродействия. Согласно эмпирическому закону число элементов N для наиболее сложных микросхем в среднем ежегодно удваивалось (прямая 1 на рис. 15). Отклонение от закона удвоения в последние годы (кривая 2) обусловлено приближением размеров элементов к их физическим пределам, сильным усложнением технологических процессов и оборудования. Рост числа элементов проис67

ходил, в основном, за счет уменьшения их топологических размеров, т. е. размеров в плоскости, параллельной поверхности кристалла (кривая 3), и в меньшей степени – за счет разработки новых конструкций элементов и совершенствования схемотехники (кривая 4), а также увеличения размеров кристалла (кривая 5). Уровень технологии характеризуется минимальным топологическим размером ∆,т. е. наименьшими достижимыми размерами легированной области в полупроводниковом слое или пленочного слоя на поверхности, например минимальными шириной эмиттера биполярного транзистора, шириной проводников, расстояниями между ними. Для полупроводниковых микросхем уменьшение ∆ по мере совершенствования технологии показано на рис. 16, где заштрихованная область соответствует достигнутым на разных этапах развития микроэлектроники значениям ∆. При ∆ = 0,3–0,5 мкм возникают проблемы, связанные с приближением размеров элементов, прежде всего транзисторов, к их физическим пределам. Уменьшение размеров элементов до указанных значений вызывает процессы деградации структуры кристалла вследствие повышения плотности тока, напряженности электрических полей и плотности выделяемой энергии. Особую проблему при использовании элементов малых размеров представляет формирование надежных внутрисхемных соединений. Их поперечное сечение уменьшается, а плотность тока растет. Это может приводить к разрушению проводников, расположенных на рельефной (не идеально плоской) поверхности, к коротким замыканиям проводников, сформированных в разных слоях N

2

106

1

∆, мкм 3

4

104

10

5 102

1

1

1970

1980 Рис. 15

68

1990 Годы

0,1

Рис. 16

1970

1980

1990 Годы

друг над другом, вследствие пробоя или нарушения разделяющего их тонкого диэлектрического слоя. Уменьшение топологических размеров элементов приводит к улучшению электрических параметров микросхем, в частности к повышению быстродействия из-за снижения паразитных емкостей р-n-переходов, увеличению крутизны полевых транзисторов и др. Однако и здесь ограничивающим фактором являются внутрисхемные соединения, задержка сигнала, в которых не позволяет полностью использовать достигаемое высокое быстродействие элементов. При разработке полупроводниковых микросхем конструкторы и технологи сталкиваются и с другими серьезными проблемами и ограничениями. Одна из самых трудных проблем – обеспечение конструктивнотехнологической совместимости различных элементов, создаваемых внутри одного полупроводникового слоя. Он характеризуется строго определенными электрофизическими параметрами, оптимальными для одних элементов и малопригодными для других. Кроме того, для изготовления различных элементов, например биполярных и МДП-транзисторов, необходимы свои технологические операции, так что одновременное формирование этих элементов на одном кристалле затруднено. Поэтому для полупроводниковых микросхем характерен крайне ограниченный набор типов элементов в кристалле. Этим же объясняется их разделение по типу применяемых активных элементов (транзисторов) на два основных вида: микросхемы на биполярных транзисторах и микросхемы на МДП-транзисторах (МДП– микросхемы). Основным активным элементом биполярных микросхем является транзистор типа n-p-n. Кроме того, используются диоды на основе p-nпереходов и переходов металл-полупроводник (диоды Шотки), полупроводниковые резисторы, пленочные резисторы (в совмещенных микросхемах), изготавливаемые, например, в поликристаллическом слое кремния, и в редких случаях – конденсаторы небольшой емкости. Транзисторы типа p-n-p применяют значительно реже, чем n-p-n. Параметры полупроводниковых слоев и последовательность технологических операций при изготовлении биполярных микросхем выбираются, прежде всего, с учетом обеспечения наилучших электрических параметров биполярных транзисторов типа n-p-n. Другие элементы формируются в аналогичных слоях одновременно с транзисторами. Использование пассивных элементов (резисторов, конденсаторов) ограничено, так как по сравнению с транзисторами они занимают большую площадь на кристалле. 69

Основными элементами современных МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому для микросхем на n-канальных МДП-транзисторах достигается самая высокая степень интеграции, но они уступают биполярным по быстродействию. В комплементарных МДП-микросхемах применяют МДП-транзисторы с индуцированными каналами n- и p-типа, для этих микросхем характерна очень малая потребляемая мощность. В специальных случаях в полупроводниковых микросхемах используют биполярные транзисторы в сочетании с МДП- либо полевыми транзисторами с управляющим p-n-переходом. Для изготовления таких микросхем требуется более сложная технология. В арсенид-галлиевых полупроводниковых микросхемах активными элементами служат полевые транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник (МЕП-транзистор), кроме того, используют диоды Шотки и полупроводниковые резисторы. Характеристики и параметры дискретных биполярных, МДП- и МЕПтранзисторов рассмотрены в [6]. Для транзисторов полупроводниковых микросхем они, в основном, такие же. Специфика обусловлена конструкцией транзисторов, меньшими размерами, наличием изолирующих областей, малыми рабочими токами и напряжениями. Полупроводниковые микросхемы в большинстве случаев являются изделиями широкого применения: одни и те же микросхемы используются в микроэлектронной аппаратуре различного назначения. Они выпускаются большими партиями: только при этом условии окупаются высокие затраты на разработку новых типов микросхем. Гибридная интегральная микросхема содержит пленочные пассивные элементы и навесные компоненты. На рис. 17, а, показана структура простейшей гибридной микросхемы. На диэлектрическую подложку 1 нанесены пленочные резисторы 2 и пленочный конденсатор 5. С помощью клея (слой 4) на подложку установлен бескорпусный биполярный n-p-n-транзистор 3 с проволочными выводами, соединенными с металлическими слоями. Соответствующая электрическая схема приведена на рис. 17,б. В гибридных микросхемах используются как простые, так и сложные компоненты, например бескорпусные кристаллы полупроводниковых микросхем. Электрические связи между элементами, компонентами и кристаллами осуществляют с помощью пленочных и проволочных проводников. 70

6

a) R2 Э К

Б Вх

R1

1

2

p

С

n+ n +

n

3

4

Вых

5

б) R2 Вх

R1

С

Вых

VT

Рис. 17

Подложка с расположенными на ее поверхности пленочными элементами, проводниками и контактными площадками называется платой. Многокристальная гибридная микросхема представляет собой совокупность нескольких бескорпусных полупроводниковых микросхем, установленных на одной диэлектрической подложке, соединенных между собой проводниками и заключенных в герметизированный корпус. В зависимости от способа нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки и их толщины различают тонкопленочные (толщина пленок менее 1 мкм) и толстопленочные (толщина пленок более 1 мкм) гибридные микросхемы. Помимо количественных существуют и качественные различия, определяемые технологией изготовления пленок. Тонкопленочные элементы формируют, как правило, с помощью термического вакуумного испарения и ионного распыления, а толстопленочные элементы наносят на подложку методом трафаретной печати с последующим вжиганием. Широкое использование гибридных микросхем обусловлено сравнительно невысокими первоначальными затратами при организации производства, возможностью применения разнообразных компонентов с тре71

буемыми рабочими характеристиками и простотой изготовления плат (особенно с толстопленочными элементами). Однако гибридные микросхемы отличаются от полупроводниковых большими размерами и более сложной технологией сборки. 8. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ТИПОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАМЕНЫ ПУТЕМ КОНСТРУИРОВАНИЯ ГИБРИДНО-ИНТЕГРАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ НА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

8.1. Оптоэлектроника и оптоэлектронные микросхемы Постоянный рост сложности РЭА для решения современных хозяйственных задач приводит к необходимости разрешения противоречий в Таблица 2 Направление функци ональной микроэлектроники

Физическое явление

Функциональный элемент в электрической схеме

Оптоэлектроника

Электролюминесценция

Светодиоды

Внутренний фотоэффект

Фоторезисторы, фотодиоды, фоторезисторы

Внутреннее отражение света

Светодиоды

Оптические явления в жидких Цифровой индикатор, визуаликристаллах заторы тепловых полей Электронно- оптические эффекты Керра и Поккельса

Модуляторы светового потока

Когерентное оптическое излучение

Генераторы когерентного светового потока (лазеры)

Акустоэлектроника Пьезоэлектрический эффект и объемные акустические волны

Синхронизаторы, генераторы, устройства задержки сигналов

Взаимодействие пучка электронов с акустической волной (поверхностные акустические волны)

Усилители, преобразователи, устройства задержки сигналов

Электротепловые процессы

Фильтры инфранизких частот, генераторы инфранизких частот, фазосдвигающие цепи

Термоэлектрические процессы

Источники питания

Электрохимические процессы

Усилители инфранизких частот, генераторы, преобразователи, источники питания

Термоэлектроника

Хемотроника

72

своеобразной системе – сложность, надежность – масса – энергопотребление. Невозможность разрешения этих противоречий путем построения аппаратуры на дискретных элементах способствовала развитию микроэлектроники. Наиболее перспективным видом микроэлектронной аппаратуры являются гибридно-интегральные модули с использованием базы функциональной микроэлектроники (ГИМ ФМ). В табл. 2 показаны четыре главных направления функциональной микроэлектроники, расположенные в порядке освоенности промышленностью: оптоэлектроника, акустоэлектроника, термоэлектроника и химотроника. Представим кратко отдельные направления функциональной микроэлектроники. Оптоэлектроника – это раздел электроники, связанный с изучением физических явлений, в которых неразрывны оптические и электрические процессы, а также с разработкой, производством и применением оптоэлектронных приборов. Оптоэлектронный прибор – это прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрофиолетовой областях спектра, либо прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих спектральных областях. Перечислим важнейшие оптоэлектронные приборы, устройства и системы. Индикаторы представляют собой электрически управляемые приборы, предназначенные для визуального отображения информации. Они широко применяются во многих устройствах, например электронных часах, микрокалькуляторах, приборных щитах автоматизированных систем управления, автомобилей, самолетов и т. д. Выпускаются полупроводниковые (светодиодные), жидкокристаллические, вакуумные катодолюминесцентные и газоразрядные индикаторы. Разрабатываются плоские экраны телевизионного типа с лучшими, чем у современных цветных кинескопов, эксплуатационными, эргономическими и экономическими показателями. Приемники изображения (фотоприемники) как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах предназначены для преобразования изображений в последовательность видеосигналов. Их используют в телевизионных передатчиках, в фототелеграфии, в ЭВМ для считывания входной информации, в приборах контроля технологических процессов и др. 73

Солнечные батареи представляют собой матрицы фотоэлементов на основе p-n-переходов или гетеропереходов, предназначенные для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Оптоэлектронные датчики – приборы, преобразующие различные физические воздействия (температуру, давление, влажность, ускорение, магнитное поле и др.) в электрические сигналы. Широкое распространение получили лазерные и светодиодные датчики влажности и загрязнения атмосферы. Их принцип действия основан на селективном поглощении излучения регистрируемыми веществами. Перспективны волоконно-оптические датчики, в которых внешние воздействия изменяют характеристики оптического сигнала (фазу, амплитуду, поляризацию). Оптопары состоят из полупроводниковых излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь. Кроме того, обеспечивается электрическая изоляция между входом и выходом. Микроэлектронный прибор, содержащий одну или несколько оптопар и выполняющий определенную функцию преобразования, обработки и передачи сигнала, называют оптоэлектронной микросхемой. Оптопары применяют в микроэлектронной и электротехнической аппаратуре для электрической развязки при передаче сигналов, бесконтактной коммутации сильноточных и высоковольтных цепей, в устройствахрегулирования и контроля. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) – устройства, в которых информация записывается на носитель с помощью теплового воздействия остросфокусированного лазерного луча. Достоинством оптоэлектронных ПЗУ являются высокая плотность записи и большой срок хранения информации (10–30 лет). Они перспективны для применения в архивных ЗУ ЭВМ и информационно-поисковых системах,содержащих постоянную информацию, к которой многократно обращается большое число пользователей. Оптические системы передачи и обработки информации представляют информацию в виде оптических сигналов. По сравнению с другими ее формами (в частности, в виде электрических сигналов) оптический сигнал имеет ряд важных преимуществ. Частота колебаний в оптическом диапазоне на 3–5 порядков выше, чем в радиотехническом. Это позволяет во много раз повысить пропускную способность линии связи (скорость передачи информации) за счет увеличения ширины спектра модулирующих частот (до нескольких гигагерц) и одновременной передачи сигналов по одному каналу на нескольких несущих частотах. 74

Использование в качестве носителя информации электрически нейтральных фотонов обеспечивает: идеальную электрическую развязку оптоэлектронного элемента связи, однонаправленность передачи и отсутствие влияния приемника на передатчик, высокую помехозащищенность оптических каналов связи вследствие невосприимчивости фотонов к воздействию электромагнитных полей, отсутствие влияния паразитных емкостей на длительность переходных процессов в канале связи и отсутствие паразитных связей между каналами. Наряду с указанными достоинствами имеются и серьезные недостатки. Прежде всего, это низкий КПД преобразований оптических сигналов в электрические и электрических в оптические. В современных приборах (лазерах, светоизлучающих диодах, p-i-n-фотодиодах) КПД, как правило, не превышает 10–20 %. Если указанные преобразования осуществляются в устройстве дважды, то общий КПД уменьшается до единиц процентов. Применение в микроэлектронной аппаратуре оптоэлектронных устройств с низким КПД ограничено, так как при этом возрастает энергопотребление, затрудняется миниатюризация из-за необходимости обеспечения теплоотвода, возникает перегрев, снижающий эффективность и надежность большинства оптоэлектронных приборов. Невосприимчивость оптического излучения к различным внешним воздействиям и электронейтральность фотона являются не только достоинствами, но и недостатками, так как затрудняют управление интенсивностью и направлением распространения светового потока. Используемые для этого электро– и магнитооптические явления, как правило, представляют собой эффекты второго и более высоких порядков и требуют для реализации очень высоких напряжений (сотни и тысяч вольт). Для передачи оптических сигналов на различные расстояния используют волоконно-оптические системы (ВОСП). Оптический сигнал представляет собой оптическое излучение, один или несколько параметров которого (амплитуда, частота, фаза, поляризация) изменяются в соответствии с передаваемой информацией. В ВОСП производят формирование, передачу, преобразование, обработку и распределение оптических сигналов. В соответствии с этим компоненты ВОСП делятся на четыре группы: источники излучения и передающие оптоэлектронные модули. формирующие оптические сигналы; волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) – кабели, служащие для передачи оптических сигналов; 75

оптические разветвители и коммутаторы, распределяющие оптические сигналы; приемники излучения и приемные оптоэлектронные модули, преобразующие и обрабатывающие оптические сигналы. Современные ВОСП исключительно разнообразны: сверхкороткие линии (до 1 м) для обмена информацией в высоковольтной аппаратуре; короткие бортовые и внутриобъектовые (1–100 м); средней протяженности (0,3–10 км), составляющие основу межмашинных сетей передачи данных и разветвлений внутригородских АТС; магистральные, в том числе меж– и трансконтинентальные. Оптрон представляет собой связанные световым потоком светодиод и фоторезистор (или фотодиод). Электрический сигнал вызывает свечение светодиода, которое воспринимается фоторезистором или фотодиодом, преобразующим световой поток в электрический сигнал. Оптрон подобно транзистору имеет многочисленные схемотехнические применения: преобразования электрических сигналов, их генерация, усиление, переключение, гальваническая развязка и др. Наряду с оптронами в состав элементной базы оптоэлектроники входят оптоэлектронные индикаторы матричного типа: индикаторы на светоизлучающих диодах (СИД), светоизлучающих резисторах (СИР) и жидкокристаллические индикаторы (ЖК). Индикаторы СИД и СИР имеют трехцветное свечение: зеленое, желтое и красное. Размер символов достигает 10–20 мм при токе потребления около 10 мА. Главное направление работ по развитию этой элементной базы оптоэлектроники – повышение светоотдачи, которая в настоящее время составляет примерно 2 % . Индикаторы ЖК имеют вдвое более высокую контрастность, чем СИД, и чрезвычайно малое потребление мощности (до 10 мкВт/см2), что делает их перспективными для батарейной РЭА. Размеры символов индикаторов ЖК наибольшие, достигают 100 мм. Главным недостатком выпускаемых в настоящее время ЖК является ограниченность температурного интервала эксплуатации пределами от –5 до +55 °С, однако нет принципиальных препятствий для устранения этого недостатка в будущем. В состав элементной базы оптоэлектроники входят световодные кабели, обеспечивающие передачу на расстояние светового потока в результате многократного внутреннего отражения луча внутри стеклянной основы световодной жилы, имеющей диаметр около 40 мкм. Стеклянное волокно световодной жилы имеет покрытие, позволяющее набирать волокна в пучок в виде световодного кабеля. 76

Важной особенностью световодов как элементов оптоэлектроники является то обстоятельство, что носителями сигналов в них являются не электроны, а фотоны, благодаря чему они практически не подвержены наводкам от внешних электромагнитных полей. Кроме того, отсутствует мешающее взаимодействие внутри потока, так как фотоны, в отличие от электронов, электрически нейтральны. Эти особенности обеспечивают интенсивное внедрение оптоэлектроники в новые разработки современной РЭА. Главной трудностью при конструировании ГИМ ФМ на элементной базе оптоэлектроники является выполнение соединений между модулями с помощью световодных кабелей. Наибольшее затухание оптического сигнала наблюдается на входе и выходе световода, т. е. в соединителях. Возможны два вида световодных соединителей: пассивные и активные. Пассивные соединители предназначены для стыковки торцов стеклянных волокон друг с другом. Активные соединители содержат преобразователи оптических сигналов в электрические сигналы и по принципу своей работы разрывают не световод, а электрическую цепь. Активные световодные соединители конструктивно надежнее пассивных, и применение их предпочтительно. Однако в ряде случаев требуется иметь разъемный контакт непосредственно одного волокна с другим, т. е. использовать пассивный световодный соединитель. Пассивный световодный соединитель должен обеспечивать точное совмещение торцов волокон с наружным диаметром 100 мкм и диаметром стеклянной сердцевины 40 мкм, допускающее многократное соединение-разъединение волокон без дополнительной регулировки. Одновременно с этим должна обеспечиваться защита оптической чистоты волокон от вредного воздействия окружающей среды, в том числе стыкуемых торцов волокон, с учетом механических воздействий при соединениях-разъединениях. Показателем качества пассивных световодных соединителей является затухание сигнала, измеряемое в децибелах. На затухание наибольшее влияние оказывают поперечная и угловая несоосность волокон, зазор между соединяемыми торцами волокон. Наибольшую долю вносит несоосность волокон. В световодном кабеле содержится до 8 волокон, он имеет погонную массу 50 г/м, в отличие от обычного кабеля для передачи широкополосных сигналов, погонная масса которого 20 кг/м. Здесь достигается экономия по массе в 400 раз. Световодные кабели находят широкое применение при обеспечении связи с диспетчерским пультом и других случаях. 77

Оптическая вычислительная техника – это комплекс оптоэлектронных и оптических приборов, предназначенный для создания аналоговых или цифровых вычислительных устройств. Это направление считается очень перспективным, оно может обеспечить значительное повышение быстродействия. Пока такие устройства находятся в стадии лабораторных исследований. Основными элементами оптоэлектронных приборов являются светоизлучатели (лазеры и светодиоды), устройства для управления излучением (модуляторы, переключатели), оптические каналы связи (светодиоды) и среды для передачи и преобразования оптических сигналов, фотоприемники на фотодиодах, фототранзисторах и других фотоэлектрических приборах, индикаторы, полупроводниковые фотоэлементы, а также оптоэлектронные микросхемы. Элементы оптоэлектронных приборов изготавливают из различных материалов. Так, в одном из простейших приборов – оптопаре – используют арсенид галлия (излучатель), полимерный клей (оптическая среда) и кремний (фотоприемник). В волоконно-оптических системах передачи, кроме указанных материалов, применяют кварц (оптическая среда). Особенно велико число применяемых материалов в сложных приборах. Наличие разнородных материалов снижает общий КПД прибора из-за поглощения оптического излучения в пассивных областях, его отражения и рассеяния на многочисленных оптических границах. Возникают дополнительные трудности при конструировании приборов, обусловленные различием температурных коэффициентов расширения материалов; затрудняется микроминиатюризация, усложняется технология и, как следствие, повышается стоимость. 8.2. Элементы акустоэлектроники Предметом акустоэлектроники являются акустоэлектронные радиокомпоненты (АРК) и устройства на их основе. Сами АРК достаточно сложны, выполняются технологическими методами микроэлектроники и подобны микросхемам, но не содержат традиционных элементов-транзисторов. Характерным для АРК является использование как электрических, так и акустических высокочастотных сигналов, причем первые – внешние (входные и выходные), а вторые – внутренние . Следовательно, АРК должны содержать преобразователи электрических сигналов в акустические и акустических сигналов в электрические и акустические тракты (звукопроводы), где происходит распространение акустических сигналов. 78

Преобразователь электрического сигнала в акустический (излучатель) основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте, состоящем в механической деформации пьезокристалла под действием внешнего электрического поля. Акустический сигнал представляет собой волну упругих механических возмущений, распространяющихся в твердом теле со скоростью звука vак порядка 105 см/с. Преобразователь акустического сигнала в электрический (приемник) основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте – появлении при механической деформации кристалла разделенных зарядов противоположного знака и связанных с ними электрических полей. Для применения наиболее важны поверхностные акустические волны (ПАВ), распространяющиеся в поверхностном слое пьезокристалла. Толщина слоя порядка длины волны λ ак = vак/f. Длина волны мала лишь для достаточно высоких частот. Например, в диапазоне 10–1000 МГц, наиболее приемлемом для АРК, она составляет 100–1 мкм. Поверхностные акустические волны могут генерироваться и управляться с помощью тонкопленочных структур, формируемых на поверхности подложки из пьезокристалла, что и позволяет создавать АРК методами микроэлектроники. Поверхностные акустические волны обладают свойством распространяться в виде направленного луча. Для этого размер излучателя в направлении, перпендикулярном направлению распространения (так называемая апертура), должен быть много больше длины волны. С помощью отражателей и направленных ответвителей можно добиться распространения ПАВ по сложной непрямолинейной траектории. То же достигается использованием акустических волноводов, расположенных на поверхности подложки. Основным материалом подложек является пьезокварц SiO2; кроме него используется ниобат лития LiNbO3, германат висмута Bi12GeO20 и пьезокерамика. Главным параметром материала является скорость распространения ПАВ, лежащая в пределах от 1,6 х 105 (германат висмута) до 4×105 см/с (ниобат лития). Акустоэлектронными радиокомпонентами, получившими наибольшее распространение, являются линии задержки (ЛЗ) и полосовые фильтры. Малая скорость ПАВ (на 5 порядков меньше, чем у электромагнитной волны) позволяет создавать малогабаритные интегральные ЛЗ радиосигналов. Линия задержки состоит из входного преобразователя, звукопровода и выходного преобразователя. 79

Традиционные методы задержки радиосигналов во времени основаны на использовании электромагнитных систем с распределенными или сосредоточенными параметрами. Первые имеют размеры порядка длины электромагнитной волны и применяются, в основном, в диапазоне СВЧ. Примерами служат ЛЗ на отрезках коаксиальных кабелей, волноводов, МПЛ и др. Их габаритные размеры велики, а задержка мала изза высокой скорости распространения электромагнитной волны, близкой к скорости света. Например, для получения задержки в 1 мкс требуется кабель длиной 300 м. Линии задержки на LC-элементах с сосредоточенными параметрами применяют на более низких частотах. Однако, если требуется большая задержка, их габаритные размеры велики. Возможности микроминиатюризации ограничены из-за сложности создания индуктивных элементов и конденсаторов в интегральном исполнении. В ЛЗ на ПАВ задержка в 1 мкс соответствует длине звукопровода всего 1–2 мм. Используя сложную петлеобразную траекторию распространения ПАВ, получаемую с помощью отражателей или волноводов, можно увеличить задержку на 1–2 порядка. Самая большая задержка (до 1 мс) реализуется в ЛЗ спиральной конструкции, где относительно толстая подложка имеет закругленные торцы, а ПАВ, направляемая волноводом, движется по спиральной траектории, многократно переходя с одной поверхности подложки на другую (акустический волновод как бы «намотан» на подложку). Задержка зависит от температуры, что обусловлено температурным расширением кристалла и увеличением скорости ПАВ с ростом температуры. Знак температурного коэффициента может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от того, какой из этих факторов преобладает. Значения температурного коэффициента задержки заключены в интервале 10–5–10–4 с–1. Преобразователи ПАВ обладают частотной избирательностью, а частотная характеристика ЛЗ имеет максимум на некоторой частоте f0, типичные значения которой составляют десятки и сотни мегагерц. При этом полоса пропускания ∆f может быть достаточно широкой, вплоть до ∆f = f0. Помимо перечисленных параметров ЛЗ характеризуются потерями. Из-за неполного согласования входного преобразователя ПАВ с источником электрического сигнала не вся его энергия преобразуется в энергию ПАВ. Точно так же на выходе не вся энергия ПАВ преобразуется в электрический сигнал. Согласование в широкой полосе частот представляет серьезную проблему. Кроме того, излучатель ПАВ не обладает 80

идеальной направленностью и часть энергии ПАВ теряется в звукопроводе. Возникают также потери из-за отражения ПАВ и др. Потери имеют размерность – дБ. Они увеличиваются с ростом задержки. Например, при tзд = 1 мкс потери составляют около 2 дБ, а при tзд = 1мс – 40–50 дБ. Преобразователи ПАВ со встречно-штыревой структурой (вид сверху и поперечный разрез которой показаны на рис. 18,а,б соответственно) получили наибольшее распространение. Штыри 1 и 4 объединяются шинами 2 и 3, подключенными к источнику электрического сигнала. Пространственный шаг h штырей определяет частоту акустического синхронизма f 0 = vак / h . На этой частоте шаг совпадает с длиной акустической волны λ ак и электрический сигнал преобразуется в ПАВ наиболее эффектно. Пусть входной сигнал Uвх(t) изменяется во времени по гармоническому закону и в данный момент положителен, так что у поверхности кристалла в зазорах между штырями возникают электрические поля, силовые линии которых показаны стрелками (см. рис. 18, б). Тангенциальные составляющие векторов напряженности электрического поля в соседних зазорах имеют противоположные направления и вызывают упругие возмущения в кристалле, соответствующие противоположным фазам акустической волны. Условно назовем эти фазы положительными для нечетных зазоров и отрицательными – для четных. Возбуждаемая ПАВ распространяется вдоль преобразователя. Так как расстояния между соседними зазорами равны λак/2, то через время λак/2νак= T/2, где Т – период колебаний, положительная фаза ПАВ будет под четными зазорами, а отрицательная – под нечетными. Но за это время и фаза входного сигнала, а значит, и направления тангенциальных составляющих векторов напряженности электрического поля в зазорах изменяются на противоположные. Теперь в четных зазорах будет электрическое поле, возбуждающее ПАВ с положительной фазой. В результате волна усиливается по мере прохождения под преобразователем. Если условие акустического синхронизма не выполняется, то волна будет затухать. Для некоторых частот возбуждение ПАВ вообще невозможно. Например, при f = 2f0 и h=λак/2 время движения фазового фронта между соседними зазорами равно периоду колебаний. Через время Т после подачи входного сигнала в зазорах установятся электрические поля, фаза которых противоположна фазе ПАВ, что приведет к уничтожению первоначально возникших упругих возмущений. 81

а) 2

1

Uвх (t)

A

5 4

3

б) + Uвх (t)

1

-

2

1

2

1

2

1

λак 2 h = λак

Рис. 18

Преобразователь представляет собой частотно-избирательный элемент. Его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) имеет максимум на частоте акустического синхронизма f0. Под АЧХ входного преобразователя понимают зависимость амплитуды колебаний ПАВ от частоты подаваемого электрического сигнала, а выходного преобразователя -– зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты ПАВ. Из сказанного выше следует, что избирательность увеличивается, а полоса пропускания ∆f (на уровне 0,7 от максимума АЧХ) уменьшается с ростом 82

числа штырей N. Анализ показывает, что полоса пропускания может быть вычислена по формуле ∆f ≈ 2 f 0 / N , где N
2. Если известны скорость распространения ПАВ, рабочая частота и полоса пропускания, то можно легко определить необходимый шаг и число штырей. С ростом частоты длина волны λак , а значит, и требуемый шаг уменьшаются. Максимально достижимая рабочая чистота определяется разрешающей способностью применяемой литографии. Обычно ширина штырей равна зазору между ними. В предельном случае шаг h = 4∆min, где ∆min – минимальный топологический размер ∆. Полагая для фотолитографии ∆min = 0,5 мкм, получаем f0max = 0,75–1,5 ГГц. Применение субмикронной литографии позволяет увеличить частоту на порядок. Площадь, занимаемая преобразователем на кристалле, увеличивается при снижении требуемой полосы пропускания из-за роста числа штырей. Площадь зависит также от длины перекрытия штырей А. В случае простейшего преобразователя длина перекрытия всех штырей одинакова, однако в более сложных преобразователях она может изменяться в направлении распространения волны. Максимальное перекрытие Аmax , т. е. апертура преобразователя, для снижения потерь из-за расходимости луча ПАВ должно быть достаточно большим: Аmax > Lλ ак , где L – длина прямолинейного участка распространения ПАВ. На расстоянии L может находиться либо выходной преобразователь, либо элемент, изменяющий направление распространения. Площадь преобразователя S = Аmax × 2 Nh увеличивается при снижении рабочей частоты. Большая площадь ограничивает частоту снизу (не менее 1–10 МГц). 8.3. Элементы магнитных СБИС постоянных запоминающих устройств Магнитные свойства тонких пленок можно использовать для запоминания и обработки информации. В связи с этим в магнитоэлектронике возникло отдельное направление – магнитные интегральные микросхемы, главным практическим результатом которого явилось создание СБИС ПЗУ на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). Последние используются как носители информации. Цилиндрические магнитные домены появляются в тонких эпитаксиальных пленках специальных материалов – гранатов, имеющих химическую формулу типа R 3Fe5O12 , где R – редкоземельный элемент (Y, Cd и др.). Информационная емкость СБИС определяется диаметром ЦМД (порядка 1 мкм) и состав83

ляет 4–16 Мбит. Микросхемы характеризуются последовательной выборкой информации с временем выборки около 10 мс. Магнитные СБИС целесообразно использовать во внешних ЗУ микроЭВМ вместо накопителей на магнитных дисках (НМД) либо в качестве промежуточных (буферных) ЗУ между внешней памятью ЭВМ и ОЗУ. По сравнению с НМД достигается резкое повышение надежности (вследствие исключения электромеханических устройств) и быстродействия, но информационная емкость одной СБИС значительно меньше, чем НМД. Использование в качестве носителя информации не ЦМД , а гораздо более мелких объектов открывает перспективы значительного повышения степени интеграции.

84

Библиографический список 1. Левин Б. Р. Теория надежности радиотехнических систем. М.: Сов. радио, 1978. 2. Дмитриевский Е. С. Техническая эксплуатация, надежность и диагностика авиационного радиоэлектронного оборудования: Учеб. пособие /СПГААП. СПб., 1996. 3. Новиков В. С. Техническая эксплуатация авиационного радиоэлектронного оборудования. М.: Транспорт, 1987. 4. Барзилович Е. Ю. Модели технического обслуживания сложных систем. М.: Высш. школа, 1982. 5. Дмитриевский Е. С., Смирнов О. Л., Федоров И. В. Обеспечение эксплуатационной надежности АРЭО // Надежность и эксплуатация сложных систем.: Межвуз. сб. науч. тр./ ЛИАП. Л., 1985. 6. Гелль П. П., Иванов-Есипович Н. К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. Л.: :Энергоатомиздат, 1984. 7. Поляков К. П. Конструирование приборов и устройств радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1982. 8. Дульнев Г. Н., Тарновский Н. Н. Тепловые режимы радиоэлектронной аппаратуры. Л.: Энергия, 1971. 9. Справочник конструктора РЭА. Общие принципы конструирования / Под ред. Р. Г. Варламова. М.: Сов. радио, 1980. 10.Верхопятницкий П. В., Латинский В. С. Справочник по модульному конструированию РЭА. Л.: Судостроение, 1983. 11.Преснухин Л. Н., Шахнов В. А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. М.: Высш. школа, 1986.

85

Оглавление Предисловие.............................................................................................. 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ АВИАЦИОННОГО РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ................................. 1.1. Возникновение проблемы надежности ...................................... 1.2. Основные понятия и определения .............................................. 1.3. Технические требования .............................................................. 2. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ .................................... 2.1. Условия эксплуатации АРЭО...................................................... 2.2. Методы повышения надежности элементов ............................. 2.3. Методы повышения надежности систем ................................... 3. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПУТЕМ СТРУКТУРНОЙ ИЗБЫТОЧНОСТИ ............................................................................... 3.1. Виды резервирования .................................................................. 3.2. Показатели надежности систем со структурной избыточностью .............................................................................. 3.3. Оптимизация резервирования .................................................... 4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИНА ЭТАПАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ............................................................................... 4.1. Основные характеристики процесса эксплуатации ................. 4.2. Изменения параметров в процессе эксплуатации .................... 4.3. Стратегия технического обслуживания по наработке ............. 4.4. Прогнозирующий контроль технического состояния авиационного радиооборудования как основа стратегии технического обслуживания по состоянию ............................... 4.5. Стратегия технического обслуживания по состоянию ............ 4.6. Автоматизированные системы диагностирования и техническое обслуживание АРЭО........................................... 5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТОЙКОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ АРЭО ПРИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ .................................. 5.1. Общие вопросы тепловой защиты АРЭО.................................. 5.2. Способы теплопередачи ............................................................... 5.3. Оценка способа охлаждения АРЭО ........................................... 5.4. Конструктивные приемы охлаждения аппаратуры .................. 6. ЗАЩИТА АРЭО ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ .......... 6.1. Обеспечение виброустойчивости и вибропрочности АРЭО ... 6.2. Расчет амортизационной системы ............................................. 86

3 4 4 5 8 9 9 12 16 21 21 25 29 29 29 30 33

34 36 40 47 47 48 51 53 54 54 58

7. ЭЛЕМЕНТНАЯ И КОНСТРУКТИВНАЯ ОСНОВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ....... 7.1. Принципы модульного конструирования радиоэлектронной аппаратуры и базовые несущие конструкции ........................... 7.2. Применение интегральных микросхем при конструировании АРЭО ...................................................................................... 8. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ТИПОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАМЕНЫ ПУТЕМ КОНСТРУИРОВАНИЯ ГИБРИДНОИНТЕГРАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ НА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ .......................... 8.1. Оптоэлектроника и оптоэлектронные микросхемы ................. 8.2. Элементы акустоэлектроники ..................................................... 8.3. Элементы магнитных СБИС постоянных запоминающих устройств ....................................................................................... Библиографический список ....................................................................

61 61 64

72 73 78 83 85

87

Учебное издание

Дмитриевский Евгений Семенович

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АВИАЦИОННОГО РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ Учебное пособие

Редактор Г. Д. Бакастова Компьютерная верстка Ю. С. Бардукова Лицензия ЛР №020341 от 07.05.97. Сдано в набор 14.05.01. Подписано к печати 19.09.01. Формат 60×84 1/16. Бумага тип. №3. Печать офсетная. Усл. печ. л. 5,23. Усл. кр.-отт. 5,35. Уч. -изд. л. 5,5. Тираж 150 экз. Заказ № Редакционно-издательский отдел Лаборатория компьютерно-издательских технологий Отдел оперативной полиграфии СПбГУАП 190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67