CC BY
187
УДК 621.396.6:396.6.019.3 Иофин А.А., Яблонских Н.С.
ОАО «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь»
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ БОРТОВЫХ РЭС ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Аннотация. Рассмотрены теоретические и экспериментальные данные зависимости надёжности бортовых радиоэлектронных средств (БРЭС) летательных аппаратов (ЛА) от температуры их эксплуатации и собственной температуры РЭС за счёт внутреннего тепловыделения. Приведены рекомендации по конструктивному исполнению применению систем охлаждения БРЭС ЛА для повышения их надёжности.
Надежная работа РЭС зависит от многочисленных причин, находящихся в тесной взаимосвязи. Теоретическое и экспериментальное исследование вопросов надежности БРЭС, изучение опыта их эксплуатации и анализ причин отказов элементов БРЭС показывают, что каждый отказ зачастую связан с преобладающим действием какого-либо одного доминирующего фактора. С точки зрения физической природы отказа это справедливо, однако, с точки зрения влияния внешних воздействующих факторов на скорость развития отказов это не соответствует действительности. Из анализа результатов испытаний при разработке и эксплуатации современных БРЭС следует, что их надежность существенно зависит от условий эксплуатации. Поэтому основой для всех работ, направленных на обеспечение эксплуатационно-технических характеристик РЭС, является модель их эксплуатации.
Для оценки эксплуатационно-технических характеристик РЭС большое значение имеет методическое обеспечение по расчету теплового состояния элементов сложной конструкции с учетом внутренних тепловыделений от работающей аппаратуры для широкого спектра режимов эксплуатации. Одно из условий надёжной работы РЭС - обеспечение нормального теплового режима. Решение этой задачи осложняется возрастающими требованиями к сохранению работоспособности РЭС в условиях повышенной температуры окружающей среды. Известно, что повышение температуры, полупроводниковых приборов от плюс 50 до 70°С вызывает уменьшение их надёжности в 1,5 - 2,0 раза [1].
Интенсивность отказов Ai радиоэлемента i-го типа определяется по существующим аналитическим или графическим зависимостям
Ai/Aio=ai=f(t, kni),
где Aio - интенсивность отказа радиоэлемента, 1/час, в нормальных климатических условиях, т.е. при температуре 25±10°С, влажности 65±15%, давлении 750±30 мм рт.ст., без механических воздействий при номинальной электрической нагрузке, указанной в технических условиях (ТУ);
ai - коэффициент, определяющий зависимость интенсивности отказов i-го радиоэлемента от температуры и нагрузки;
k^ - коэффициент нагрузки i-го радиоэлемента (для конденсаторов k^ = Ui /Uio, где U - напряжение, В; для остальных радиоэлементов k^ = Qi / Qio, где Q - потребляемая мощность, Вт).
Расчёты, проведённые по методике [2], показывают, что при повышении температуры бортовых РЭС летательных аппаратов, а именно радиовысотомеров (РВ), на 10 градусов интенсивность отказов увеличивается в среднем на 25%.
Требующиеся для расчёта надёжности РЭС значения рабочей температуры радиоэлементов, t, средней температуры нагретой зоны, t^, и средней температуры воздуха в блоках РЭС, te, могут быть определены как путём замеров на работающих РЭС, так и проведением тепловых расчётов, т.е. определением тепловых характеристик РЭС t = f (Q), t^ = fi (Q), tв = f2 (Q).
Необходимо отметить, что температура воздуха около РЭС, т.е. температура окружающей среды, to, обычно задаётся диапазоном значений и это следует учитывать в расчётах надёжности.
Для определения недопустимых перегревов в РЭС достаточно знать лишь максимальное значение t с. Надёжность отдельных радиоэлементов, блоков и РЭС в целом зависит от среднеповерхностного значения температуры при эксплуатации. Если эта величина неизвестна, следует рассчитывать граничные величины показателей надёжности РЭС, соответствующие крайним возможным значениям температуры. Полученные таким образом величины вероятности безотказной работы или средней наработки на отказ определяют область, внутри которой находятся истинные значения показателей надёжности при эксплуатации.
Температура поверхности является рабочей температурой для подавляющего большинства радиоэлементов независимо от того, выделяют ли они тепловую энергию. Вследствие теплообмена между соседними радиоэлементами (деталями) рабочая температура часто существенно отличается от температуры окружающей среды. Экспериментальные и натурные исследования температурных полей в РЭС показывают, что температура поверхности отдельных радиоэлементов, являющихся источниками теплоты, может быть значительно выше средней температуры нагретой зоны, тем более - средней температуры воздуха внутри РЭС (блока). Понижение температуры воздуха при удалении от источника теплоты происходит очень резко, уже на расстоянии 20 - 40 мм она становится близкой к температуре воздуха внутри РЭС (блока). Вследствие суперпозиции температурных полей отдельных источников теплоты, расположенных на сравнительно небольших расстояниях друг от друга, результирующее температурное поле может иметь очень сложный вид.
Практика показывает, что за величину средней температуры воздуха в РЭС можно принять среднеповерхностную температуру изолированных от шасси навесных радиоэлементов, не являющихся источниками теплоты.
Таким образом, температура окружающей среды может характеризовать тепловой режим только тех радиоэлементов, которые не являются источниками теплоты и расположены на достаточно больших расстояниях (практически не менее 40 мм) от таких источников. Для остальных радиоэлементов температурой, характеризующей тепловой режим, является температура их поверхности.
Следовательно, для получения достоверных результатов при расчётах надёжности с учётом тепловых режимов необходимо:
- использовать в расчётах температуру, определяющую тепловой режим радиоэлементов (рабочую температуру), а не температуру окружающей среды;
- определить необходимые для расчётов зависимости интенсивности отказов радиоэлементов от их рабочей температуры;
- использовать величины допустимых значений рабочей температуры, связанные с величинами электрической нагрузки радиоэлементов;
1
- при отсутствии данных о реальной величине среднеповерхностнои температуры в условиях эксплуатации рассчитывать показатели надёжности РЭС для граничных значений температуры, определяя, таким образом, интервал значений показателей надёжности.
Влияние тепловых воздействий на надёжность БРЭС ЛА исследовалось на натурных образцах серийного РВ.
В результате статистического анализа отказов радиоэлементов по функциональным узлам РВ были определены радиоэлементы, имевшие наибольшее количество отказов в эксплуатации, и выбран тепловой режим РВ при имитации реальных условий его эксплуатации.
Имитировался режим работы РВ «взлёт-посадка» в зимнее и летнее время года. Наиболее тяжёлый тепловой режим РВ имел при испытаниях «взлёт-посадка» в летнее время года.
-----РВ включён:----РВ отключён: -характерные точки:
ИШ - вентиляторы отключены: ШуШ - вентиляторы включены
Рис. 1. Гистограмма режима «взлёт-посадка» в летнее время года
По гистограмме на рис.1 были проведены два исследовательских цикла испытаний РВ, по которым определили режим испытаний при нормальном давлении окружающей среды, эквивалентный показанному на гистограмме рис.1 с точки зрения адекватного теплового режима. Гистограмма эквивалентного режима приведена на рис.2.
.. -РВ включен:------РВ отключен: • ^характерные точки:
ШЖ - вентиляторы отключены: IrIH - вентиляторы включены
Рис.2. Гистограмма эквивалентного режима «взлёт-посадка» в летнее время года
По гистограмме эквивалентного режима было проведено 48 последовательных циклов, во время которых по показаниям термопар, установленных внутри приёмопередатчика и указателя высоты РВ, фиксировалась температура около радиоэлементов, имевших наибольшее количество отказов за время эксплуатации РВ или наиболее опасных с точки зрения обеспечения нормального теплового режима. По результатам испытаний просчитаны A-характеристики и коэффициенты а ряда радиоэлементов, около которых были определены максимальные рабочие температуры. В подавляющем большинстве случаев аэкпл »а, следовательно, на величину отказов радиоэлементов при эксплуатации РВ тепловой режим сильного влияния не оказал вследствие правильных конструктивных решений, обеспечивших достаточный запас по температуре по сравнению с допустимыми температурами по ТУ для проанализированных радиоэлементов.
Имитация режима работы РВ «взлёт-посадка» в зимнее время года, естественно, подтвердила нормальный тепловой режим РВ с большими запасами по температурам около анализировавшихся радиоэлементов.
Таким образом, результатами расчётов и испытаний подтверждено, что на надёжность БРЭС ЛА наибольшее влияние оказывают температура эксплуатации, коэффициенты нагрузки радиоэлементов и, главное, оптимальные для обеспечения нормального теплового режима конструктивное исполнение и система охлаждения БРЭС ЛА, которые достигаются следующими способами:
- применение в заданных массогабаритных характеристиках БРЭС ЛА конструктивных способов отвода теплоты, обеспечивающих максимальное снижение температуры внутри и на поверхности корпуса БРЭС;
- преимущественное использование для постоянно работающих БРЭС на высотах полёта выше 10 000 м герметичных корпусов с перемешиванием воздуха внутри корпуса, а при высотах ниже 10000 м - перфорированных корпусов, по возможности;
- при наличии на борту ЛА системы охлаждения обеспечить продув или обдув БРЭС воздухом или другим применённым газообразным теплоносителем для интенсификации тепломассоотдачи;
- повышение степени черноты всех теплоотдающих поверхностей как внешних, так и внутри корпуса БРЭС;
- размещение большинства теплонагруженных радиоэлементов в верхней части корпуса, по возможности, с тепловым контактом со стенками корпуса;
- расположение радиоэлементов и печатных плат по ходу движения воздуха (или иного газообразного теплоносителя) параллельно его потоку для интенсификации отвода теплоты за счёт естественной или вынужденной конвекции;
2
- уменьшение зазоров между нагретой зоной и корпусом БРЭС до минимально возможных и увеличение коэффициентов заполнения БРЭС с естественным охлаждением, особенно выполненных в герметичных и пылебрызгозащищённых корпусах.
Одним из перспективных направлений для облегчения тепловых режимов БРЭС и, тем самым, повышения их надёжности, является применение радиоэлементов повышенной теплостойкости (повышение теплостойкости радиоэлементов на 10-15% равноценно улучшению охлаждения БРЭС в 2 раза) на стадии проектирования. Необходимо отметить, что при наличии элементной базы, необходимой для выполнения требований технического задания на разработку конкретного БРЭС, применение радиоэлементов повышенной теплостойкости экономически более выгодно и значительно сокращает сроки разработки по сравнению с оптимальным конструированием БРЭС и системы их охлаждения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Завалишин П.И. О тепловых режимах РЭА. Вопросы радиоэлектроники, сер. ТРТО, вып.1. 1967.
2. Роткоп Л.Л., Гидалевич В.Б., Гун Л.А., Максименко В.Д. Оценка влияния тепловых режимов РЭА на её надёжность. Вопросы радиоэлектроники, сер. ТРТО, вып.1. 1972.
3. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов. - М.:
Высш. шк., 1984. - 247с.
4. Иофин А.А. Теплофизическое конструирование (учебное электронное текстовое издание). Методические указания по дисциплине «Основы конструирования и производства РЭС» для студентов всех форм обучения по специальности 210302 - Радиотехника. Екатеринбург: изд-во ГОУ ВПО УГТУ-
УПИ, 2009. 33 с.
5. Иофин А.А. Методика ускоренной комплексной оценки тепловых режимов РЭС. Надёжность и качество: труды Международного симпозиума. В 2-х т. Пенза: изд-во ПГУ, 2011. Т. 2. С. 261-263.
6. Иофин А.А. Некоторые аспекты методики ускоренной комплексной оценки тепловых режимов РЭС. Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий: материалы международной научно-практической конференции. М.: МИЭМ, 2011. С. 367-376.
3
