Системный подход к проектированию конструкций РЭА

Детальное рассмотрение конструкций РЭА показывает, что конструкции проявляют признаки систем, т.е. представляют собой единое целое, состоящее из составных частей, выполняющих общую задачу. Таким образом, для проектирования конструкций РЭА применим такой же подход, как и при проектировании систем, который получил название системного подхода.

Опыт проектирования показывает, что использование системного подхода позволяет достичь более высоких качественных показателей конструкций по сравнению с рецептурным принципом проектирования.

Суть рецептурного подхода к проектированию заключается в использовании указаний (рекомендаций, рецептов) отраслевых стандартов, нормалей и др. технических документов.

Системный подход к проектированию в общем виде заключается в учете связей на всех этапах проектирования.

Особенности системного подхода применительно к проектированию конструкций заключается в следующем:

1) необходимость рассмотрения альтернативных вариантов, которые предположительно могут привести к получению сопоставленных результатов. Это прежде всего касается выбора: источников энергии, используемых материалов, компоновочных схем, комплектующих изделий. Выбранные решения должны наиболее адекватно удовлетворять требованиям к конструкции;

2) оценка качества конструкции основывается не только на общепринятых показателях (выходные параметры, стоимость, время разработки, удобство в обслуживании, надежность и т.п.), но и количественная оценка значения комплексного показателя качества;

3) учет того, что конструкция РЭА функционирует во внешней среде и в действительности является подсистемой некоторой другой системы. Внешняя среда оказывает существенное влияние на принимаемые решения при разработке конструкции РЭА и может учитываться в виде следующих факторов: физическое окружение; уровень науки и техники; форма структуры проектной организации; квалификация, опыт и интеллект персонала; время разработки;

4) исследование эффективности конструкторских решений на основе моделирования без использования устройств;

5) использование вероятностно-статистических методов при оценке решений, на результат которых влияют случайные параметры.

По аналогии с конструкциями системный подход может рассматриваться применительно к проектированию технологий.

Окружающая среда и ее воздействие на РЭА.

В зависимости от размещения РЭА на поверхности земли (в том числе и в горной местности), в атмосфере или в толще вод, характер и интенсивность внешних естественных дестабилизирующих факторов будут различными. Их влияние может быть, как усилено, так и ослаблено при размещении РЭА на или внутри различных объектов. При работе РЭА вне земли требуется знание и учет дестабилизирующих факторов космического производства и на поверхности планет и космических тел.

Для земной РЭА определяющими естественными дестабилизирующими факторами являются климатические: а) воздействие тепла (холода) (характеризуемое температурой в ^oC или К); б) относительная влажность Вл (в процентах); в) роса и обледенение (гололед); г) морской туман (солевой); д) пыль и песок; е) солнечная радиация РС; ж) плесневые грибы.

Нормальными климатическими условиями считаются: t=25±10^o C (288-308К); влажность составляет 45-80%; атмосферное давление р=(8,36-10,6)·10⁴ Па (630-800)мм рт. ст.). Если t≥30^о С (303К), то влажность≤70%.

Климатические зоны и характерные группы эксплуатации РЭА.

Климат – это характерная для данной области (региона) на поверхности земли совокупность типичных изменений атмосферных процессов, обуславливаемых географическими координатами, уровнем солнечной радиации, строением земной поверхности, вертикальным теплообменом и другими определяющими метеорологическими факторами за длительное время (20-30 лет). В зависимости от размеров пространства земной поверхности различают макро-, мезо- и микроклимат.

Макроклимат определяется географическими координатами, положением по отношению к океану, большими горными массивами и регулярными циркуляциями воздуха. Местные условия при оценке макроклимата не учитываются.

Мезоклимат определяется только местными влияниями (изменение рельефа поверхности, влияние реки, озера и т.п.). Параметры макроклимата и частично мезоклимата учитываются при конструировании РЭА.

Параметры микроклимата локальны, характерны для малых объемом (десятки м³) и практически не учитываются. Все дестабилизирующие факторы находятся в динамике и, соответственно, могут принимать значения: нормальные, номинальные, рабочие и предельные.

Предельные значения проявляются редко, в течении не более 6 часов и допускают в этих условиях только сохранение работоспособности РЭА (без соблюдения номинальных значений параметров). Рабочие значения дестабилизирующих факторов характеризуют области сохранения номинальных параметров РЭА. Записанные в ТЗ, ТУ или стандарты рабочие значения дестабилизирующих факторов являются номинальными значениями, которые обеспечивают нормальную эксплуатацию.

Нормальными называют уточненные при проектировании значения климатических факторов в пределах данной географической зоны с учетом места расположения изделия.

В соответствии с ГОСТом различают 6 макроклиматических районов (зон):

1)умеренного климата У (t=+40…45^o C; 313-228K)

2) холодного климата ХЛ (-t>-45^o C)

3) тропического влажного ТВ (t≥20^o C; 293K при влажности ≥ 80% 12 или более часов в сутки непрерывно в течение 2-12 месяцев в году)

4) тропического сухого ТС (+t>40^o C; 313K)

5) морского умеренно холодного М (t=+10…-40^o C)

6) морского тропического ТМ (t=15-45^oC; влажность 80-100%)

Наземная РЭА пригодная для работы в районах ТВ и ТС (тропическое исполнение) имеет обозначение Т. Годная для работы во всех наземных районах обозначается - О. РЭА устанавливаемая на морских судах с неограниченным районом плавания, обозначается - ОМ. Пригодная для всех районов на суше и на море - В.

Изделия, эксплуатируемые на открытом воздухе (категория 1). РЭА, размещенная в помещениях типа кузовов, ангаров, палаток и т.п. относятся к категории 2 (она соответствует категории 1 при отсутствии прямого воздействия РС и осадков). могут хранится в помещениях (категория 4). Она соответствует категории 1 при отсутствии прямого воздействия РС и атмосферных осадков. Эксплуатация РЭА в закрытом помещении с естественной вентиляцией (без искусственного регулирования климатических условий) при существенном уменьшении воздействия дестабилизирующих факторов по сравнению с их воздействием на открытом воздухе - категория 3.

Эксплуатация РЭА в закрытых наземных или подземных помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями – категория 4.

Эксплуатация РЭА при повышенной влажности (неотапливаемые, невентилируемые помещения) – категория 5.

Воздействие влаги, пыли, солнечной радиации и биологических факторов на РЭА.

Воздействие влаги на металлы, изоляционные материалы имеет разную природу, но одинаковый конечный результат – разрушение исходной структуры материала. В металлах это происходит за счет коррозии, а в изоляционных материалах за счет влагопоглощения.

Термодинамической причиной коррозии является переход корродирующего металла из менее стабильного состояния, в котором он используется в конструкциях РЭА, в более стабильное первоначальное состояние, из которого он был получен (окислы, сульфиды, карбонаты и т.п.). На скорость коррозии влияют: концентрационная поляризация, перенапряжение и пассивность металлов.

Химическая коррозия происходит во время реакции сухого газа с металлом при высокой температуре (окалина на поверхности стали). Наличие влаги - причина электрохимической коррозии, реакции которые идут при низких температурах.

Коррозия может быть равномерной (по всей поверхности изделия), неравномерной (повреждение защитного покрытия и образование отверстий), и межкристаллической (вдоль границ кристаллов и разрывов их структуры).

Влага также является причиной различных побочных явлений, увеличивающих дестабилизирующее воздействие пыли и биологических факторов.

Влияние влаги на изоляционные материалы определяются отсутствием изоляционных пластмасс, которые могли бы противостоять воздействию влаги. Низкокачественные изоляционные материалы с макроскопическими порами или трещинами поглощают влагу за счет капиллярных эффектов. В высококачественных изоляционных материалах (изделия РЭА) определяющим фактором влагопоглощения является диффузия. Диффузия – поглощение изоляционным материалом паров воды до полного уравнивания давлений в окружающей среде и внутри изоляционного материала. При процессах герметизации важен третий режим - проникновение (режим переноса влаги через полупрозрачную оболочку).

Процесс диффузии определяется в основном свойствами, формой и размерами изоляционной детали.

Процесс проникновения определяется в основном разницей степени концентрации водяных паров между наружной и внутренней поверхностями.

За счет высокой электропроводности воды по сравнению с электропроводностью изоляционного материала при диффузии влаги наблюдается существенное падение сопротивления изоляции (на 2-4 порядка), рост tgδ и изменение относительной диэлектрической постоянной.

При поглощении или отдаче влаги (набухание и усадка) происходит изменение объема и размеров изоляционных деталей, что является причиной возникновения заметных механических напряжений в материале, нарушения прочности элементов или их работоспособности.

Песок и пыль. Максимальную опасность для работоспособности РЭА представляют не относительно крупные частицы пыли и песка (у них меньше острых граней), а мелкие, взвешенные в атмосфере с величиной зерна 1…40 мкм. Результаты их воздействия в подшипниках и механизмах – заедание, падение точности; в зазорах с контактами – препятствие нормальной работе реле и переключателей. На поверхности изоляционных деталей из-за гигроскопичности возникает паразитная проводимость; на поверхности металлических деталей происходит увеличение скорости коррозии. В тропических условиях пыль является питательной средой для плесневых микроорганизмов. При значительной запыленности, повышенной температуре, наличии кислорода, источников энергии – пыль взрывается, что может быть причиной больших разрушений. Таким образом, оптимальными условиями работы РЭА является обеспыливание воздуха и поддержание постоянной влажности.

Солнечная радиация. Различают две группы воздействия РС: фотолитическое и фотоокислительное (перегрев).

Фотолитическое характеризуется избирательным поглощением солнечных лучей в полосах поглощения. Воздействие фотонов приводит к отрыву фотоэлектронов и разрыву молекулярных связей. Следствием этого является изменение цвета ряда полимерных материалов, хрупкость и потеря прочности нарушение лакокрасочных покрытий.

Фотоокислительное воздействие РС – разрыв химических связей при одновременном воздействии излучения, кислорода, воздуха и влаги. Результат – усиленная коррозия (особенно в условиях тропического климата).

Перегрев РЭА от поглощения энергии солнечных лучей происходит за счет: непосредственного излучения солнца; излучения, рассеянного и отраженного атмосферой; теплых слоев воздуха; излучения от грунта, теплопроводности воздуха и грунта.

Биологические факторы. К биологическим факторам плесневые грибки, насекомых и грызунов. Важнейшей группой биологических факторов являются плесневые грибки. Основной фактор их развития: высокая влажность (80-100%), наличие естественных или искусственных высокомолекулярных соединений для питания (полимеров) и малая освещенность помещений.

Изоляционные материалы на основе целлюлозы при воздействии плесневых грибков ухудшают свои механические и электрические параметры и могут разрушаться.

Опасность летающих насекомых состоит в том, что они летят на источники тепла и света и погибают, тем самым могут нарушать работу контактов. А при высокой влажности кроме коррозии образуют питательную среду для развития плесневых грибков. В связи с этим вентиляционные и другие отверстии следует закрывать мелкой сеткой.

Для РЭА, работающей в тропических условиях наиболее опасными являются термиты. Они поедают преимущественно деревянные детали и пластмассы с деревянными наполнителями. Наиболее эффективная защита от термитов – бетонный фундамент зданий, пропитка фунгистатическими составами деревянных материалов и специальные пластмассы.

Грызуны (крысы, мыши) представляют опасность для кабелей в пластмассовой и неармированной резиновой изоляции. Для защиты изоляции применяют стальную оплетку, но обычно повреждения кабелей и проводов не превышают 2%, поэтому целесообразнее устранять случайные повреждения, нежели применять дорогостоящие защитные мероприятия.

Воздействие полей СВЧ и ионизирующих излучений.

В электромагнитном поле СВЧ ряд определяющих свойств материалов существенно изменяется. За счет поверхностного эффекта уменьшается проводимость металлов и сплавов; за счет явления поляризации изменяется диэлектрическая проницаемость и увеличиваются потери в диэлектриках; за счет гиромагнитного эффекта изменяется магнитная проницаемость ферритов.

Ионизирующие излучения – любые излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Первичное ИИ в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается исходным. Вторичное ИИ возникает в результате взаимодействия первичного с рассматриваемой средой. ИИ могут быть электромагнитными (фотонными) в виде и рентгеновского излучений корпускулярными в виде потока частиц с массой покоя отличной от нуля ( и - излучения, нейтронное излучение). Взаимодействие ИИ со средой оценивают поглощенной дозой излучения D и мощностью поглощенной дозой P. Поглощенная доза излучения (ПДИ)- отношение средней энергии dE_ср, переданной ИИ веществу в элементарном объеме, к массе вещества dm в этом объеме D=dE_ср./dm [ ; rad=10^-2 ]. Мощность ПДИ - отношение приращения поглощенной дозы излучения dD за интервал времени dt к этому интервалу: P=dD/dt [ ; ].

При проектировании РЭА, как правило, учитывают воздействия нейтронов и -излучения, обладающих наибольшей проникающей способностью.

Нейтронное излучение является причиной радиационных дефектов, обусловленных физико-химическими преобразованиями в материалах (окисление, деструкция полимеров и т.п.)Возможен радиационный разогрев, выделение кислот, активных газов (хлор, водород, фтор).

При -излучении преобладают ионизационные эффекты. Происходит образование избыточных носителей зарядов, что приводит к увеличению проводимости диэлектрических и полупроводниковых материалов.

Работоспособность РЭА под воздействием ИИ определяется радиационной стойкостью. Радиационная стойкость изделия или материала (ГОСТ 18298-72) - свойство аппаратуры, комплектующих элементов, материалов выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм во время воздействия ИИ.

Для защиты РЭА от ИИ применяются: общая экранировка (для защиты от ИИ с любой стороны) и теневая экранировка (положение источника ИИ известно и стационарно). Защитные экраны выполняют из металлов с высоким кулоновским барьером (свинец) и поглощающих прослоек (полиэтилено-свинцовый экран - -излучения, полиэтилен с окисью бора – термический противонейтронный экран, полиэтилено–графитовый – замедлитель быстрых нейтронов и т.п.).

С целью минимизации размеров и массы РЭА может применяться локальная защита отдельных компонентов РЭА и специальные защитные покрытия.