Влияние условий эксплуатации на функционирование систем информационной вычислительной техники летательных аппаратов (СИВТ ЛА). Надежность САУ ЛА

Одним из главных направлений развития конструкций СИВТ ЛА считается рост функциональных возможностей на единицу объема ЭМ (или уменьшение объема при равных функциях). Для количественной оценки плотности упаковки обычно используются коэффициенты: упаковки (K_S), использования объема (K_V), и использования массы (K_M):

KS = N / V; KV = V / ΣVi; KM = M / ΣMi

где N – число ФЭ в ЭМ, V и M – соответственно объем и масса ЭМ; ΣVi и ΣMi соответственно суммы объемов и масс ФЭ.

Свойства СИВТ ЛА полностью проявляются в реальных в условиях эксплуатации. Снижение надежности функционирования СИВТ ЛА возможно под влиянием двух групп факторов: субъективных (к ним относятся конструкторские, технологические и эксплуатационные ошибки и недоработки) и объективных (к ним относятся внешние воздействия и собственные дестабилизирующие факторы. При длительной эксплуатации происходит также физический износ деталей и протекают необратимые процессы старения материалов.

К внешним воздействиям относят: механические, климатические и радиационные. К собственным дестабилизирующим факторам относят взаимное влияние электрических, магнитных и тепловым полей, создаваемых элементами СИВТ ЛА, а также собственные вибрации, вызываемые работающими электромеханическими устройствами электронных систем.

Схема воздействия дестабилизирующих факторов: воздействие фактора → изменение параметров элементов (ФЭ, ЛС, КЭ) → изменение параметров (состояния) СИВТ ЛА.

Механические воздействия подразделяются на статические и динамические. Из них наибольшую опасность представляют динамические механические воздействия, включающие: вибрации, удары, линейные ускорения, акустические удары. Количественно эти виды воздействий характеризуются диапазоном частот колебаний, а также их амплитудой, ускорением, временем действия. Также часто используют коэффициент перегрузки n – величину, кратную ускорению свободного падения g.

В процессе транспортирования и эксплуатации любое СИВТ ЛА подвергается тому или иному виду механических воздействий (а порой и нескольким).

· Вибрации представляют собой сложные колебания, которые возникают при контакте конструктивных элементов с источником колебаний. Каждая точка конструкции характеризуется своей собственной колебаний. В тех точках, в которых частота собственных колебаний приближается к частоте внешнего источника, возникает явление механического резонанса, приводящего к разрушениям. Поэтому таких ситуаций следует избегать. Вибрации характеризуются частотой, амплитудой и ускорением.

· Удары подразделяются на одиночные и многократные и характеризуются длительностью ударного импульса, перемещением соударяющихся тел, ускорением. В момент удара происходит колебание системы на вынужденной частоте, определяемой параметрами воздействия, а после него – на собственной частоте конструкции.

· Линейные ускорения характеризуются ускорением (в единицах g) и длительностью воздействия.

· Акустические шумы проявляются в транспортируемых СИВТ ЛА, устанавливаемых вблизи работающих двигателей (ракет, самолетов, кораблей и т.д.). Характеризуются давлением звука, мощностью колебаний источника звука, силой звука, спектром звуковых частот.

Под воздействием вибраций и ударных нагрузок в элементах СИВТ ЛА возникают статические и динамические деформации (нарушение герметичности, обрыв монтажных связей, отрыв навесных компонентов, разрушение хрупких материалов и т.д.), а также изменения параметров ФЭ (изменение вольт-амперных характеристик, снижение чувствительности и смещение частотных диапазонов, короткие замыкания и т.д.). Ударно-вибрационные нагрузки воздействуют на элементы конструкции СИВТ ЛА через их точки крепления. Поэтому эффективность такого воздействия определяется также положением элементов относительно его направленности. Детали крепления элементов в определенной мере являются своего рода демпферами, ослабляющими действие источника вибраций. Акустический шум подвергает механическим нагрузкам практически в равной степени все элементы конструкции. Поэтому в некоторых случаях его действие может быть более разрушительным, чем действие ударно-вибрационных нагрузок.

Климатические воздействия определяются климатической зоной, в которой СИВТ ЛА эксплуатируется. К климатическим факторам относят:

· воздействие температуры может изменить параметры как конструкционных материалов (тепловое старение материалов), так и электрические характеристики ФЭ и ЛС;

· тепловые удары способствуют образованию микротрещин конструкционных материалов и появлению прочих дефектов;

· влажность окружающей среды представляет собой один из наиболее агрессивных для СИВТ ЛА внешних факторов; влага содержится в любой атмосфере и ее воздействие проявляется в ускорении коррозии металлических деталей и покрытий, снижению электроизоляционных свойств диэлектриков (малый размер молекул воды – 2,7х10 -10 м - позволяет ей проникать в межмолекулярные промежутки полимеров, керамики и других материалов), изменению характеристик ФЭ и ЛС; наличие во влаге растворенных химических соединений (атмосфера цехов химических производств, тропический морской климат) значительно усиливают ее вредное воздействие на СИВТ ЛА;

· пониженное и повышенное давление влияют на отвод тепла, сопротивление изоляции воздуха, оказывают механическое воздействие на элементы СИВТ ЛА и т.д.;

· грибковые образования (плесень) являются источником органических кислот, способствующих коррозии и ухудшению диэлектрических свойств;

· пыль и песок оседают на поверхности элементов СИВТ ЛА; в состав пыли входят органические и минеральные соединения; действие органических компонентов аналогично действию плесени, а минеральные частицы, как и песок, могут вывести из строя электромеханические устройства (устройства с движущимися частями);

· солнечное облучение, состоящее в основном из волн ультрафиолетовой и инфракрасной части спектра, отрицательно действует на некоторые материалы (полимеры, лакокрасочные покрытия и т.д.);

· насекомые и грызуны также могут отрицательно влиять на функционирование СИВТ ЛА; многих насекомых привлекает тепло и их останки служат питательной средой для плесени; грызуны (крысы, мыши) повреждают кабели и провода в пластмассовой и резиновой изоляции.

Действия некоторых климатических факторов может усиливать действия других. Например, с ростом температуры активность влаги также возрастает, пыль и песок поглощают влагу, усиливая ее воздействие и т.д.

К радиационным факторам относят: космическую радиацию, ядерную радиацию (от реакторов, атомных двигателей, радиационно-опасных ситуаций), облучение потоком гамма-фотонов, нейтронов, бета- и др. частиц. Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы, а наименее – полупроводниковые приборы и ИС, а также некоторые конденсаторы (с органическим диэлектриком и электролитические).

Надежность СИВТ ЛА

В процессе эксплуатации СИВТ ЛА могут находиться в работоспособном или неработоспособном состоянии. Переход в неработоспособное состояние обычно происходит по причине отказа одного или нескольких элементов, программного обеспечения и т.д. Отказы подразделяют на: внезапный и постепенный, явный и скрытый, зависимый и независимый, конструктивный, производственный, эксплуатационный и т.д.

СИВТ ЛА могут быть обслуживаемыми и необслуживаемыми, восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми, ремонтируемыми или неремонтируемыми. Все эти определения дают качественную характеристику изделия. В ТЗ задаются количественные показатели для конкретных эксплуатационных условий, которые подлежат расчету. Поскольку отказ - событие случайное, то все оценки надежности носят вероятностный характер.

Для количественной оценки надежности чаще всего используют функцию интенсивности отказов λ(t), часто называемой λ – характеристикой. Интенсивность отказов λ(t) является критерием, наиболее полно определяющим надежность неремонтируемых СИВТ ЛА, а также составляющих их элементов и компонентов (резисторов, конденсаторов, ИС, печатных плат, соединений сваркой, пайкой и т.д.). Идеализированный вариант функции λ(t) приведен на рис. 2.2.

Область 1 называют временем приработки. Объекты, претерпевшие отказы на этом участке, как правило, имеют недостаточную электрическую и механическую прочность. Область 2, для которой λ(t) ≈ λ и имеет минимальное значение, соответствует нормальному периоду работы СИВТ ЛА. В области 3 интенсивность отказов растет, что обусловлено старением материалов и износом деталей. Все оценки надежности выполняются для периода нормальной эксплуатации, когда надежность постоянна или стационарна. Период приработки изучается отдельно, как нестационарный процесс и этот период должен быть исключен до начала эксплуатации (путем введения тренировки). Стационарный участок нормальной эксплуатации обычно описывается экспоненциальным распределением с постоянным параметром λ.. Значения λ являются справочными (например, в настоящее время для ИС в керамическом корпусе λ = 10–8... 10–9, 1/ч, а в пластмассовом - 10–7... 10–8, 1/ч.) и используются для расчетов прочих характеристик надежности, например, таких как: вероятность безотказной работы P(t) и средняя наработка на отказ Tср

Справочные значения λ часто используют с повышающим коэффициентом kэ, учитывающим режим работы и сложность условий эксплуатации СИВТ ЛА.

Оценка надежности многоэлементных СИВТ ЛА производится обычно при следующих допущениях:

· отказы независимы;

· с точки зрения надежности элементы (ЭРЭ, ИС, паяные или сварные соединения и т.д.) соединены последовательно, т.е. выход из строя любого элемента приводит к отказу изделия в целом;

· закон распределения экспоненциальный.

Средняя наработка на отказ для этого случая Tср = 1/.

Если расчеты показывают недостаточную надежность, то принимают меры для ее повышения. Основные способы повышения надежности СИВТ ЛА: использование элементов и компонентов с более высокими показателями надежности, снижение влияния внешних и внутренних дестабилизирующих факторов, снижение электрической и механической нагрузки на элементы, использование резервирования. В последнем случае надежность повышается за счет использования избыточных элементов и компонентов.

Для ремонтируемых СИВТ ЛА обычно учитывают следующие требования:

1. изделия должны иметь встроенную систему контроля, позволяющую локализовать неисправность до сменной части;

2. необходимо разработать и изготовить ЗИП, включающий в себя конструктивные модули для замены;

3. конструкция должна допускать быструю замену узлов без применения пайки;

4. при замене узлов не должно быть подгоночных, регулировочных или подстроечных операций;

организовать систему технического обслуживания применительно к особенностям объекта эксплуатации и квалификации операторов.