Характеристика условий эксплуатации специализированных групп приборной аппаратуры

Лекция 3 1.5.2. Характеристика условий эксплуатации специализированных групп приборной аппаратуры Условия эксплуатации определяются классом, к которому относится объект установки (третья группа требований по назначению). Обзор условий эксплуатации рассмотрим на примере аэрокосмической ПА, разновидности которой относятся ко всем трем классам ПА [24, 38, 43, 54]. Класс 1 – наземная ПА. Класс наземной ПА включает в себя три основные группы: стационарная (постоянно работающая в помещениях), на подвижных объектах (возимая), переносная. Эти группы с позиций условий эксплуатации можно разделить на нормальные, наземные естественные, наземные транспортные. К группе переносной относится лабораторная, производственная и эксплуатационная контрольно-испытательная и диагностическая аппаратура, устанавливаемая на столах в помещениях лабораторий, цехов, полигонов, тренажерных центров, ремонтно-эксплуатационных предприятий и т.п. Стационарная ПА отличается, относительно большими габаритами, массой и характеризуется: 1) особой продолжительностью эксплуатации и необходимостью постепенной модернизации; 2) работой в помещениях с нормальными климатическими условиями: температурой воздуха 15-25.°С, относительной влажностью 45-75%, атмосферным давлением 96-106 кПа; 3) отсутствием механических перегрузок во время работы; 4) высокой ремонтопригодностью при ремонте на месте установки. Переносная ПА работает, как и стационарное в нормальных климатических условиях. К группе возимой относится, например, авиационная ПА аэропортов, стартовых комплексов, ракетных подвижных комплексов и т.п. Условия эксплуатации - наземные транспортные, т.е. наличие механических воздействий в виде различных колебаний, ударов, перепады некоторых климатических воздействий (давления, температуры, влажности), возможность воздействия пыли, песка и т.п. Возимая ПА может эксплуатироваться в естественных наземных условиях (например, при "полевых" испытаниях), характеристики которых определяются климатической зоной и наземными транспортными условиями (условиями закрытых кабин транспортных средств). Данная группа ПА имеет ограничение по мощности рассеяния. Нормальная мощность рассеяния на единицу объема фургона для естественного воздушного охлаждения составляет 0,5 кВт/м3; предельной является мощность 1 кВт/м3. Общая масса комплекса ПА для одного автофургона должна составлять примерно 2/3 грузоподъемности транспортного средства; остальная 1/3 идет на запас для проезда в сложных дорожных условиях, на ЗИП и бытовое оборудование операторов. Масса каждого моноблока не должна превышать 60 кг для осуществления демонтажа с автомашины в аварийных ситуациях. Класс 2 – авиационная ПА, размещаемая на морских объектах. Этот класс включает в себя две основные группы: ПА для обслуживания корабельной авиации и ракет; бортовая ПА самолетов авианесущих кораблей, палубных вертолетов и гидросамолетов. Конструкции аппаратуры первой группы разрабатываются в морском исполнении, второй группы - в смешанном варианте (бортовом и морском). Эксплуатация ПА данного класса отличается тремя особенностями: - комплексное воздействие климатических и механических факторов (100%-ная влажность при повышенной температуре и солевом тумане в сочетании с непрерывной вибрацией от двигателей, ударными перегрузками и линейными ускорениями); - длительное автономное плавание с отрывом от ремонтных баз; - акустические, магнитные и радиационные воздействия. Необходимо учитывать чрезвычайно широкий спектр механических факторов, воздействующих на ПА, как во время полетов, так и при нахождении на борту корабля. Таким же, постоянно действующим фактором, опасным для приборного оборудования, является морская среда, окружающая корабль. Соленость океанской воды велика, достигает 35 г солей на 1 л. Это обстоятельство активизирует разрушительные физико-химические процессы, протекающие при воздействии влаги на металлические и изоляционные материалы конструкций приборного оборудования. Приборная аппаратура класса 2 должна разрабатываться в тропическом исполнении, рассчитанном на высокую коррозионную стойкость и плеснестойкость. Кроме того, на случай прямого попадания воды должна обеспечиваться водозащищенность и брызгозащищенность. Прямое воздействие воды наблюдается во время штормов, в аварийных ситуациях, при противопожарном и противорадиоактивном самоорошении помещений. При конструировании ПА данного класса необходимо учитывать специфические требования: - обеспечение высокого уровня типизации в целях упрощения материально-технического снабжения оборудования запасными частями; - осуществление ремонта при минимальном количестве персонала и ограниченных контрольно-измерительных и ремонтных средствах без отправки на ремонтное предприятие; - ограниченность размеров помещений, отсеков, проходов для обслуживания оборудования; - обеспечение защищенности от сильных высокочастотных и низкочастотных электромагнитных полей (работа гидроакустических станций и большого числа локационных систем и передатчиков); - повышенные значения вибростойкости, ударостойкости, стойкости к ускорениям. Класс 3 – бортовая приборная аппаратура. Этот класс включает в себя группы ПА авиационной, космической и ракетной техники. Вертолетная и самолетная ПА характеризуется относительной кратковременностью непрерывной работы, измеряемой часами. В остальное время ПА находится под контролем персонала аэродрома или ремонтной базы: подвергается периодическому осмотру и контролю, перед каждым вылетом производится предполетная проверка. Конструкция такой ПА должна обеспечивать свободный доступ к внутренним узлам (модулям) для уменьшения времени на поиск неисправности. Чем меньше времени расходуется на предполетную проверку, тем больший эффект от эксплуатации летательного аппарата. Отсюда вытекает требование высокой контроле- и ремонтопригодности конструкции. Постоянная потребность в усложнении функций ПА бортового класса ограничивается возможностями летательных объектов по массогабаритным показателям, поэтому уменьшение габаритов и массы бортовой ПА считается одной из важнейших задач при конструировании. Приборная аппаратура, располагаемая вне гермоотсеков, должна работать в условиях разреженной атмосферы. На большой высоте воздух разрежен (на высоте 26 км - до 2 кПа), что приводит к снижению электрической прочности элементов конструкции. Независимо от места установки ПА на летательном объекте, на нее воздействует значительное количество внешних факторов, среди которых можно выделить следующие основные группы: механические, климатические, биологические, термические, электромагнитные, радиационные и специальные среды. Подробная, классификация внешних факторов, воздействующих на бортовую ПА и определяющих условия ее эксплуатации, приведена на рис.1.5-1.8. Условия эксплуатации бортовой ПА в значительной степени зависят от вида летательного аппарата, его скоростей и высоты полетов. Так, температура корпуса самолета изменяется в широких пределах. Летом на аэродроме в южных районах корпус нагревается более чем до 50°С. При взлете и подъеме температура резко падает, достигая минус 50°С на высоте 10 км. На сверхзвуковых самолетах при полете в плотных слоях атмосферы корпус может нагреваться до 150°С. В результате ПА, расположенная вне гермоотсека, испытывает тепловые удары. Вибрационные ударные и линейные перегрузки для конструкций самолетной ПА значительны. Во всех случаях задается диапазон частот вибрации, так как нижние частоты возникают во время движения самолета по взлетно-посадочной полосе, а верхние связаны с работой двигателя. На взлете и при посадке образуются ударные перегрузки с хаотическим чередованием ударов. При любом изменении скорости возникают линейные перегрузки. К космической и ракетной ПА, помимо общих требований к бортовому классу, предъявляют дополнительные требования: I) особой ограниченности объема и массы в связи с необходимостью иметь минимальную массу ракеты-носителя; 2) чрезвычайно высокой безотказности; 3) высотой ремонтопригодности в предстартовый период; 4) совместного действия вибрационных и линейных нагрузок во время старта. К наиболее характерным факторам, воздействующим на ПА на больших высотах и в космическом пространстве относятся: глубокий вакуум, лучистые тепловые потоки, невесомость, радиоактивные излучения, широкие пределы изменения температур. Приборная аппаратура искусственных спутников Земли относится к группе космической, но является необслуживаемой. Эта аппаратура характеризуется: 1. особой продолжительностью эксплуатации без обслуживания (годы); 2. работой в условиях атмосферы с постоянным газовым составом низкой влажности или в вакууме; 3. циклическим изменением температуры; 4. отсутстви-ем механических нагрузок во время работы; 5) опасностью воздействия радиации. Дополнительные отличительные черты ракетной ПА: 1. разовость использования; 2. необходимость в особой кратковременности предстартовой проверки и высокой ремонтопригодности в предстартовых условиях; 3. работа в условиях быстрого возрастания окружающей температуры на обшивке ракеты (до нескольких сотен градусов); 4. длительная сохраняемость при многолетнем хранении ; 5. большие ударные нагрузки. Исходные нормы внешних воздействий, на основе которых устанавливаются нормы для групп бортовой ПА: - диапазон температур окружающей среды от -60 до + 50°С; - влажность 98. ..100% при температуре ; - пребывание в условиях инея и росы и работоспособность через 5 - 10 мин после включения; - разрежение воздуха до 750 Па, - вибрационные воздействия в диапазоне частот от 5 (с перегрузками 4-5) до 2000 Гц (с перегрузками до 10); - вибрационные воздействия на одной частоте (обычно в районе 40 -50 Гц с перегрузками 4-5) длительные; - ударные перегрузки с длительностью удара до 80мс и перегрузками до 10-15 ; - линейные ускорения с перегрузками до 15; - акустические шумы до 130 - 160 дБ; - прочие специальные воздействия по ТЗ. 1.5.3. Классификация климатического исполнения конструкций приборной аппаратуры В зависимости от макроклиматического района, в котором задано эксплуатировать ПА 1 и 2 классов, различают девять основных климатических исполнений изделий: 1. Исполнение У - для умеренного климата со среднегодовым максимумом и минимумом температуры + и . 2. Исполнение УХЛ - для умеренного и холодного климата при минимуме температуры, располагающемся ниже . 3. Исполнение ТВ - для влажного тропического климата с температурой и выше в сочетании с относительной влажностью 80% и выше, действующей на изделие более половины суток ежедневно в течение двух месяцев и более. 4. Исполнение ТС – для сухого тропического климата с температурой +, но не отнесенное к исполнению ТВ. 5. Исполнение М – для умеренного холодного морского климата при нахождении в морях и океанах севернее с.ш. или южнее ю.ш. 6. Исполнение ТМ – для тропического морского климата при нахождении в морях и океанах между с.ш. и ю.ш. 7. Исполнение О – общеклиматическое исполнение для суши. 8. Исполнение ОМ – общеклиматическое морское для самолетов морской авиации и корабельной авиации с неограниченным районом действий. 9. Исполнение В – всеклиматическое исполнение для суши и моря (кроме Антарктиды, для климата которой аппаратура разрабатывается и изготовляется по специальным заказам). 2. СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВИАЦИОННОЙ ПРИБОРНОЙ АППАРАТУРЫ 2.1. Поиск конструкторских решений Процесс поиска конструкторских идей и решений является трудно формализуемым эвристическим трудом конструкторов. Конструирование авиационной приборной аппаратуры в сравнении с конструированием других промышленных изделий отличается особой сложностью функциональных внутренних связей между частями конструкции [2,27,38], кроме пространственных и механических необходимо устанавливать сложные электрические связи, связи, обусловленные большим количеством внешних воздействующих факторов и ограничивать электромагнитные поля, температуру и температурный градиент на заданных участках внутри изделия. Оценка значимости связей, рассматриваемая в определенном контексте (необходимые, лишние, вредные), целиком зависит от решаемой конкретной задачи. В общем виде необходимыми функциональными связями являются: электрические, определяемые монтажными соединениями; пространственные и механические, определяемые функциональными параметрами, компоновкой и закреплением элементов. Лишними связями, которые в конструкции должны быть ограничены верхним пределом, являются электромагнитные и тепловые связи. Эти связи возникают как побочный результат формирования первых трех необходимых связей. Установление структуры проектируемой конструкции и связей в ней представляет собой процесс синтеза. Процесс синтеза при конструировании всегда сопровождается анализом получаемых результатов и процедура сводится к логико-математическому поиску оптимума при последовательном, шаговом совершенствовании (коррекции) исходного варианта, сформулированного в первом приближении в техническом предложении. Одно, строго оптимальное решение находится редко. Чаще определяется область практически близких разумных решений, в пределах которых может быть сделан окончательный выбор. Чтобы сравнить между собой по эффективности разные решения, нужно иметь количественный критерий - показатель эффективности, или целевую функцию. При поиске конструкторских решений ставится обратная задача исследования операций: при заданном комплексе условий Х найти такое решение у=у*, которое обращает показатель эффективности в максимум. Максимум показателя эффективности обозначим F*, тогда F* есть максимальное значение А(Ху) взятое по всем решениям, входящим в множество возможных решений Y: , где у – группа параметров, определяющих конструкторское решение. Если в у входят функции, то величина F(X,y) является функционалом. При конструировании задача всегда многокритериальна. При этом приходится придавать весовые коэффициенты частным критериям, что неизбежно вносит субъективность. Чтобы среди большого числа рациональных (оптимизированных по частным критериям) вариантов найти оптимальный, нужна формализованная информация о предпочтительном сочетании значений показателей по каждому варианту. Информация о предпочтительности сочетаний формализуется трудно из-за неполной однозначности оценок. Чем сложнее конструкция, тем оценка предпочтительности сочетаний формализуется труднее, так как возрастает неоднозначность оценок. Рассматриваемые принципы поискового конструирования базируются на методологии системного подхода (анализ и синтез систем). Системный подход включает в себя системный анализ, применяемый для решения таких сложных задач проектирования, как определение границ системы (то есть границ между системой и внешними средами – эксплуатационной и производственной), структуры системы, связей в системе, состояний системы и др.