Оптимизация концептуального проектирования радиовысотомеров по критерию временных затрат на разработку конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.396.6:396.6.019.3 хЖаднов В.В., 2Иофин А. А.

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Москва, Россия

2ОАО «Уральское проектно - конструкторское бюро «Деталь», Каменск-Уральский Свердловской обл., Россия

2ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», Политехнический институт (филиал) в г. Каменске-Уральском Свердловской обл., Россия ОПТИМИЗАЦИЯ КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОВЫСОТОМЕРОВ ПО КРИТЕРИЮ ВРЕМЕННЫХ ЗАТРАТ НА РАЗРАБОТКУ КОНСТРУКЦИЙ

Ускорение научно-технического прогресса и темпов его развития в условиях жёсткой конкуренции в едином информационно-производственном пространстве выдвигает на передний план задачу сокращения времени на проведение научно-исследовательских (НИР) и опытно-конструкторских (ОКР) работ по созданию новых и модернизации существующих образцов бортовых радиовысотомеров (РВ) летательных аппаратов (ЛА) . Одним из условий решения этой задачи является минимизация времени на расчётноаналитические работы (особенно на этапе НИР) без снижения влияния их результатов на показатели надёжности и качества разрабатываемого РВ [1-4] .

Как известно, характеристики надежности ЭРИ и показатели надёжности аппаратуры сильно зависят от внешних воздействующих факторов, причём наибольшее число отказов элементной базы (более 20% от общего числа отказов) приходится на повышение температуры корпуса ЭРИ или окружающей их среды.

На рис. 1 показан пример зависимости относительного изменения среднего времени наработки на

отказ (ТНо) радиоэлектронного блока от температуры (Т), приведенный в [8].

Рис. 1. Зависимость относительного изменения среднего времени наработки на отказ

от температуры

Поэтому первоочередное значение на этапе концептуального проектирования имеет определение температур во внутреннем объёме конструкции, т.е. определение ее теплового режима адекватного тепловому режиму в реальных условиях эксплуатации, заданных в техническом задании (ТЗ) на разработку

РВ.

В настоящее время имеется достаточно большое количество САПР и автоматизированных систем проектных исследований (АСПИ) для проведения оценочных расчётов тепловых режимов конструкций аппаратуры. Однако, во-первых, для большинства из них требуется достаточно хорошо проработанная конструкция анализируемого блока, требующая больших затрат времени (особенно в случае, когда проведённые расчёты теплового режима дают неудовлетворительные результаты, а именно, превышение допустимых температур элементной базы, которое приводит к необходимости переделки конструкции), во-вторых, излишнее стремление повысить точность расчётов использованием более «тяжелых» САПР и АСПИ приводит к неоправданному увеличению объема расчётно-аналитических работ без гарантии повышения достоверности расчетов, т. к. на тепловой режим влияет совокупность факторов, многие из которых могут быть определены не аналитически, а только эмпирически для конкретного класса конструкций аппаратуры и условий ее эксплуатации [3, 5].

Уменьшение объёма расчётно-аналитических работ при проведении НИОКР может быть достигнуто за счёт использования экспериментально подтверждённых расчётных графиков зависимостей перегревов (и) внутри корпуса РВ от мощности тепловыделения (Р), температуры (Тс) и давления (Рн) окружающей среды, конструкции корпуса и его компоновки, режима работы (стационарный или динамический по времени т с перерывами между включениями и без них), а также от способа охлаждения (естественное или принудительное) [1, 3] .

Такой подход к решению задачи оправдал себя при проектировании радиовысотомеров для ЛА [1] : используя упрощённые тепловые модели конструкций РВ в диапазонах объёма корпуса от 1 до 5, от 5 до 10 и от 10 до 20 дм3 определяли по расчётно-экспериментальным графикам (РЭГ) зависимости и = f(P) объём корпуса, необходимый для обеспечения нормального теплового режима РВ, затем разрабатывали его конструкцию, используя имеющуюся необходимую элементную базу и применяя конструктивные методы и физические принципы максимального отвода теплоты из РВ в окружающую среду.

На рис. 2 приведены примеры типового конструктивного исполнения радиовысотомеров.

Рис. 2. Примеры конструктивного исполнения радиовысотомеров

Таким образом, для оптимизации времени концептуального проектирования конструкций РВ следует принять следующий критерий:

' Пр -

min(tСАП ,tp3F ) '

где: tnp - время оценки теплового режима при концептуальном проектировании; ten - время оценки

теплового режима при использовании САПР; tp3r - время оценки теплового режима при использовании

РЭГ.

Как уже отмечалось выше (см. рис. 1), температура в существенной степени влияет на показатели надежности аппаратуры. На этапе концептуального проектирования РВ проводится «предварительный» расчет надежности РВ, в котором в соответствии с [9] рекомендуется использовать усредненные значения интенсивностей отказов ЭРИ:

где: Л - интенсивности отказов блока; In - интенсивности отказов ЭРИ; I - число типов ЭРИ;

N - число ЭРИ л-го типа.

По сути, такой подход является аналогом оценки тепловых режимов по РЭГ, т.к. не требует применения САПР. Однако, в отличие от концептуального проектирования РВ, где любые (в т.ч. незначительные) изменения конструкций РВ требуют существенного изменения 3Б-модели и, соответственно, новых временных затрат, при расчетах надежности этого не происходит. Это обусловлено тем, что существенного изменения номенклатуры ЭРИ не происходит, а в процессе проектирования могут меняться только их рабочие режимы. На рис. 3 приведен пример зависимости интенсивности отказов элек-

тронного блока от температуры окружающей среды и от коэффициента нагрузки.

Рис. 3. Зависимость интенсивности отказов электронного блока от температуры окружающей среды и от коэффициента нагрузки

Поэтому, для минимизации временных затрат не только на концептуальном, но и остальных этапах проектирования аппаратуры, следует сразу применять САПР [7] . На рис. 4 приведена главная форма

интерфейса пользователя системы АСОНИКА-К-СЧ программного комплекса АСОНИКА-К [10].

т,°с

80

К„

Рис. 4. Главная форма интерфейса пользователя системы АСОНИКА-К-СЧ

Таким образом значительно сокращалось время определения конструктивных характеристик РВ, обеспечивающих его нормальный тепловой режим и заданную в ТЗ надёжность.

Заключение

Для обеспечения нормального теплового режима РВ с минимальными значениями температур применённой элементной базы и получения наивысших значений показателей надёжности на начальном этапе проектирования необходимо использовать расчётно-экспериментальные графики зависимости и = f(P) для апробированного ряда тепловых моделей РЭС, современные методы теплофизического конструирования [3, 5], методы математического моделирования и автоматизированные системы расчёта и анализа на-

дёжности [2, 4, 7], которые позволят добиться максимального снижения перегревов применённой элементной базы и РВ в целом и, тем самым, повысить его надёжность в заданных условиях эксплуатации [6] .

ЛИТЕРАТУРА

1. Иофин А. А. Теплофизическое конструирование. Учебное электрон. текстовое издание. / А.А. Ио-фин. - Екатеринбург: Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2009.

2. Жаднов В. В. Информационная поддержка моделирования РЭА на ранних этапах проектирования. /

В.В. Жаднов, И.В. Жаднов, А.Н. Игнатовский, А.А. Иофин. // Надёжность и качество: Труды Международного симпозиума в 2-х ч. / Под. ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 2004. Ч. 1. С. 186-188.

3. Иофин А. А. Некоторые аспекты теплофизического конструирования РЭС. / А. А. Иофин. // Надёжность и качество: труды Международного симпозиума. В 2-х т. - Пенза: информац.-издат. центр ПГУ, 2009. Т. 1. С. 63-65.

4. Жаднов В.В. Математическое моделирование и ИПИ-технологии в автоматизированном проектировании сложных РЭС. / В.В. Жаднов, А.А. Иофин. // Цифровые модели в проектировании и производстве

РЭС: межвуз. сб. научных трудов. - Пенза: изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. Вып. 13. С. 69-73.

5. Иофин А.А. Методика ускоренной комплексной оценки тепловых режимов РЭС. / А. А. Иофин. // Надёжность и качество: труды Международного симпозиума. В 2-х т. - Пенза: изд-во ПГУ,

2011. Т. 2. С. 261-263.

6. Иофин А. А. Практические результаты анализа повышения надёжности бортовых РЭС летательных

аппаратов при повышенных температурах эксплуатации. / А.А. Иофин, Н.С. Яблонских. // Надёжность и качество: труды Международного симпозиума. В 2-х т. - Пенза: изд-во ПГУ, 2013. Т. 1. С. 107-109.

7. Iofin A. Comparative characteristics of the РС ASONIKA-K and reliability calculations

programs. / A. Iofin, V. Zhadnov. // Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science: Proceedings of the International Conference TCSET'2014, Dedicated to the 170th Anniversary of Lviv Polytechnic National University. - Львів: Видавництво Національного

університету «Львівська політехніка», 2014. P. 226-228.

8. Жаднов В. В. Особенности конструирования бортовой космической аппаратуры: учеб. пособие. /

В.В. Жаднов, Н.К. Юрков. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. 112 с.

9. Справочник «Надежность ЭРИ». - М.: МО РФ, 2006.

10. Абрамешин А.Е. Информационная технология обеспечения надёжности электронных средств наземно-космических систем: научное издание. / А.Е. Абрамешин, В.В. Жаднов, С.Н. Полесский; отв. ред. В.В. Жаднов. - Екатеринбург: Форт Диалог-Исеть, 2012. 565 с.