Классификация и области применения ЭА.

Конструкция электронной аппаратуры (ЭА) зависит от большого числа факторов, основными из которых являются:

– функциональное назначение аппаратуры;

– объект установки;

– условия эксплуатации;

– эксплуатационные требования;

– производственно-технологические требования;

– экономические показатели.

При разработке конструкции, полностью удовлетворяющей заранее поставленным требованиям, и в процессе конструирования необходимо учитывать эти факторы. Однако современная ЭА настолько многообразна, что требуется определенная специализация при ее конструировании.

Прежде всего необходима классификация ЭА, которая четко бы отражала конструктивные особенности аппаратуры.

С конструкторской точки зрения наиболее удобной является классификация по назначению, тактике использования и объекту установки. Классообразующим признаком категории ЭА является одна из трех глобальных зон использования – воздушное (космическое) пространство, океан и суша. Поэтому всю ЭА классифицируют по трем категориям:

– бортовая

– морская

– наземная.

Внутри каждой категории классификация проводится по объекту установки, т.е. в каждой категории различают группы аппаратуры, а в каждой группе – подгруппы по условиям эксплуатации. Поэтому, при конструировании аппаратуры необходимо пользоваться классификацией, приведенной в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Классификация электронной аппаратуры.

Категория аппаратуры	Группа аппаратуры	Количество подгрупп по условиям эксплуатации.
Бортовая	Самолетная (вертолетная), Ракетная Космическая
Морская	Судовая (корабельная) Буйковая
Наземная	Возимая, носимая Переносная, бытовая Стационарная

Области использования ЭА удобно рассматривать пользуясь приведенной классификацией.

Бортовая ЭА – это аппаратура, устанавливаемая на летательных объектах. Основными задачами при конструировании такой РЭА следует считать:

– уменьшение массы и габаритов в связи с ограниченными возможностями бортовой ЭА по данным показателям;

– необходимость работы ЭА в условиях пониженного атмосферного давления, что требует специальных средств защиты;

– необходимость защиты ЭА от сложных механических воздействий.

Каждая группа бортовой ЭА имеет свои особенности, обуславливающие дополнительные задачи для конструктора.

Самолетная и вертолетная ЭА характеризуются относительной кратковременностью непрерывной работы измеряемой часами. В остальное время РЭА находится под контролем и обслуживанием персонала ремонтной базы. Аппаратура подвергается периодическому осмотру и контролю, а перед каждым вылетом производится предполетная проверка. Следовательно, конструкция должна обеспечивать свободный доступ ко всем частям аппаратуры для уменьшения времени на поиск неисправности. Отсюда вытекает требование высокой ремонтопригодности конструкции.

Температура корпуса самолета может изменяться в широких пределах. Летом на аэродромах корпус может нагреваться до +50˚С. При взлете и подъеме на высоту температура резко падает, достигая на высоте 10км – 56˚С. На сверхзвуковых самолетах при полете в плотных слоях атмосферы корпус самолета может нагреваться до +150˚С. В результате ЭА, расположенная вне гермоотсека, может испытывать тепловой удар.

Группа самолетной и вертолетной ЭА подвергается также значительным вибрационным, ударным и линейным перегрузкам. Величины перегрузок зависят от класса самолета или вертолета и в каждом конкретном случае имеется свой диапазон вибраций. Вибрации на нижних частотах диапазона возникают во время движения самолета по взлетно- посадочной полосе, а на верхних определяются работой двигателя. На взлете и посадке образуются ударные перегрузки с хаотическим чередованием ударов. При любом изменении скорости возникают линейные перегрузки. Такой сложный комплекс механических воздействий требует применения специальных средств защиты.

К космической и ракетной ЭА предъявляются особые требования, основными из которых являются:

– ограниченность массы и габаритов в связи с требованиями минимального стартового веса ракеты-носителя;

– чрезвычайно высокая безотказность в работе;

– ремонтопригодность в предстартовый период;

– совместное действие вибрационных и линейных нагрузок во время старта.

Условия работы в космическом корабле имеют много общего с условиями работы в самолете, но длительность полета космического корабля требует еще более высокой безотказности работы аппаратуры во время полета.

К космической ЭА относится аппаратура искусственных спутников Земли, основная особенность которой – большая продолжительность эксплуатации (годы) без обслуживания. Спутник представляет собой контейнер, заполненный ЭА и физическими приборами, которые являются датчиками для ЭА. Источниками питания служат химические источники, работающие совместно с солнечными батареями. Особенность спутниковой ЭА – работа в условиях атмосферы с постоянным газовым составом низкой влажности или в вакууме, опасность воздействия радиации, воздействие циклически изменяющихся температур, отсутствие механических нагрузок во время работы аппаратуры.

Для ракетной ЭА должна быть обеспечена кратковременность предстартовой проверки и ремонтопригодность в предстартовый период, для чего необходимо иметь возможность измерять режим работы и производить подстройку непосредственно перед пуском ракеты. Это требует предусмотреть в конструкции дистанционное управление с выводом контрольных точек в места удобные для доступа. Дополнительными отличительными чертами ракетной ЭА являются:

– разовость использования;

– работа в условиях быстрого возрастания окружающей температуры на обшивке;

– длительная сохраняемость при многолетнем хранении;

– большие ударные нагрузки.

Морская ЭА характеризуется общими следующими условиями: морская среда, как постоянно действующий фактор, требует разработки аппаратуры в тропическом исполнении, предусматривающем коррозионную стойкость и плеснестойкость, влагозащищенность и брызгозащищенность, ударные перегрузки и линейные ускорения.

Значительные ударные перегрузки характерны для любой морской ЭА и возникают при ударах волн, а линейные перегрузки возникают при качке.

Судовая (корабельная) ЭА имеет следующие особенности:

– необходимость учета ограниченности размеров люков и проходов на судне;

– высокий уровень типизации конструкций в целях упрощения материально-технического снабжения судов запасными узлами;

– возможность ремонта ЭА на месте установки без заходов на ремонтную базу при минимальном количестве обслуживающего персонала и ограниченных контрольно-измерительных и ремонтных средствах.

Буйковая ЭА служит в основном для навигационных целей. К ней так же относятся переносные радиостанции спасательных средств. Особенностями буйковой ЭА являются:

– большая продолжительность необслуживаемой эксплуатации;

– работа в морской воде в плавающем или погруженном состоянии;

– воздействие сильных ударов, связанных с волнением моря и способом постановки буя путем сбрасывания.

Температурные условия для буйковой ЭА считаются хорошими благодаря интенсивному теплоотводу от корпуса.

Наземная ЭА наиболее обширна и разнообразна. Общей задачей при конструировании наземной РЭА является защита от пыли, вибраций и ударов в условиях нормального атмосферного давления.

К возимой ЭА относятся мобильные связные и радиолокационные станции, диспетчерские станции строительных, сельскохозяйственных и транспортных организаций, передвижные телевизионные станции и т.д. Для конструкции возимой ЭА прежде всего необходимо предусмотреть возможность погрузки и разгрузки частей ЭА двумя людьми. Значительная часть возимой ЭА должна работать во время движения.

К носимой ЭА относятся станции ближней связи, миноискатели, портативные радиопеленгаторы, отдельные виды медицинской ЭА и т.д. Носимая ЭА используется и обслуживается одним человеком-оператором. Основными требованиями являются защита от случайных ударов и ограничения по массе аппаратуры: аппаратура носимая оператором за плечами должна иметь массу не более 13кг, а аппаратура карманного типа – не более 1кг.

Переносная ЭА – это лабораторная измерительная и медицинская аппаратура, устанавливаемая на ровную поверхность стола, причем во время переноски с места на место эта аппаратура не должна работать. Она работает в условиях отапливаемых помещений. Конструктор должен предусмотреть возможность переноски аппаратуры силами не более двух человек.

К бытовой ЭА относятся радиоприемники, телевизоры, магнитофоны и другая аппаратура используемая населением. Бытовая ЭА является разновидностью носимой и переносной, однако ее особенности требуют выделения в самостоятельную группу:

– эстетическое значение внешнего вида;

– повышенные требования к акустическим данным;

– приспособленность к эксплуатации совершенно не подготовленным человеком;

– массовое производство, долговечность и определяющее значение стоимости.

Стационарная ЭА отличается большими габаритами и массой. Характерные особенности:

– продолжительность эксплуатации и необходимость постепенной модернизации;

– работа в условиях отапливаемых помещений при нормальных климатических условиях;

– отсутствие механических перегрузок во время работы;

– необходимость транспортировки к месту работы с использованием амортизаторов внутри упаковки;

– возможность хранения в складских условиях климатических зон изготовителя и потребителя.

Условия эксплуатации ЭА.

Конструктивные решения РЭА надо искать не только с позиции основных функций, но и позиций возможности выполнения этих функций в различных условиях эксплуатации.

Под условиями эксплуатации РЭА понимается совокупность внешних факторов существенно влияющих на характеристики и работоспособность аппаратуры.

Внешние факторы можно классифицировать на два основных вида: климатические и механические воздействия.

Климатические воздействия связаны с состоянием атмосферы: ее температурой, влажностью, осадками, давлением, радиацией, загрязненностью пылью, солями, газами, зараженностью микробами и т.д. Причиной механических воздействий могут быть: сила тяжести, силы инерции, возникающие при изменении скорости движения: силы связанные с вибрацией от работы двигателей, и др. Для оценки величины каждого воздействующего фактора его сравнивают с нормальными условиями эксплуатации.

Под нормальными условиями понимаются условия работы аппаратуры в закрытых отапливаемых помещениях при отсутствии в воздухе паров, газов, солей кислот и микроорганизмов при температуре 20±5° С, относительной влажности 50–80%, атмосферном давлении (956÷1037)·10² Па и при отсутствии механических воздействий.

Наибольшее влияние на работу РЭА оказывает температура окружающей среды. Температура изменяется в зависимости от времени года, от географического положения местности, а также от высоты. Максимальная температура может достигать +55˚С, а пониженные температуры доходить до – 60˚С. С подъемом на высоту до 10–30 км температура падает до – (50÷ 60)˚С. На рис.6.1 показано, что диапазон изменения температуры в околоземной атмосфере может составлять ±100˚С. В космосе этот диапазон еще выше.

Рис.2.1. Изменение средней температуры воздуха в зависимости от высоты.

Изменение температуры окружающей среды влияет на свойства материалов. При повышении температуры механические свойства большинства металлов снижаются и увеличивается их электрическое сопротивление. У меди, например, при повышении температуры до 100°С сопротивление возрастает на 40%. При понижении температуры у всех материалов понижается пластичность, а при достаточно низких температурах она практически исчезает и материал становится хрупким. В значительной степени зависят от температуры электрические свойства диэлектриков и полупроводников. При повышении температуры у диэлектриков резко падает сопротивление изоляции, растут диэлектрические потери и изменяется диэлектрическая проницаемость.

Аппаратура, которая продолжает нормально работать и сохранять свои параметры в заранее установленных пределах при воздействии повышенных температур, называется теплоустойчивой, а при воздействии пониженных температур – холодоустойчивой.

В зависимости от географического положения местности может значительно измениться относительная влажность окружающего воздуха. Если нормальная относительная влажность окружающего воздуха составляет 50–80%, то в зоне влажных субтропиков и на побережье Ледовитого океана она достигает 85–90%, а в зоне пустынь 5–10%.На показатели влажности влияет температура окружающего воздуха. При температуре ниже нуля влага конденсируется и выпадает в виде инея, поэтому присутствие ее в атмосфере становится незначительным. При температуре воздуха 20–40°С может иметь место наибольшая влажность, достигшая 100%.

Наиболее опасна относительная влажность порядка 80–90%, т.к. в этом случае влага находится в воздухе в газообразном состоянии и легче поглощается толщей материалов, проникая сквозь тонкие щели и мелкие поры. При более высокой влажности, в том числе и при 100%, влага поглощается поверхностью материала и меньше проникает в толщу материала. Различные сочетания той или иной влажности, температуры или последовательности в смене этих факторов образуют разнообразие климатических воздействий на РЭА. Увеличение влажности быстро изменяет диэлектрическую проницаемость и электрическую прочность воздуха. Это сказывается на изменении емкости между элементами незащищенной конструкции и может стать причиной пробоев. Особенно заметно это явление при высоких температурах.

Влияние влаги может привести к отказам в аппаратуре, снижению эффективности и качества РЭА. Лучшим средством защиты конструкции от влаги является герметизация, которая обычно защищает и от других воздействий: пыли, грибков, агрессивных сред, а в отдельных случаях и от определенных механических воздействий.

Аппаратура, которая продолжает нормально работать и сохраняет свои параметры в заранее установленных пределах, при воздействии повышенной влажности называется влагоустойчивой.

Устойчивость разработанной РЭА к повышенной влажности проверяют при температуре 40С и влажности 98%, т.к. именно при этих условиях происходит наиболее быстрое окисление металлов и развитие грибковых образований (плесени), а электрические характеристики слоистых диэлектриков, поглощающих воду из воздуха, изменяются на несколько порядков.

На поверхности Земли атмосферное давление принято считать нормальным, но с увеличением высоты оно резко падает. С увеличением высоты воздух становится сильно разреженным, а электрическая прочность очень низкой. При этом на деталях, имеющих острые углы и высокий потенциал, может возникнуть коронный разряд, может происходить пробой воздушных промежутков, что приводит к выходу аппаратуры из стоя. Кроме того, в аппаратуре ухудшается тепловой режим, т.к. при пониженном давлении уменьшается отвод теплоты от нагревающихся элементов, в результате чего их температура повышается и создаются условия для перегрева аппаратуры.

Для средней климатической полосы наиболее характерно наличие в атмосфере песка, пыли. Различных газов. Их влиянию подвергается аппаратура, работающая в зоне пустынь или расположенная на подвижных объектах, передвигающихся по грунтовым дорогам. Обладая высокой твердостью и гигроскопичностью , песок или пыль проникают в трущиеся части механизмов (контакторы, зазоры), что приводит или к поломке аппаратуры или к быстрому износу ее частей, снижает изоляцию токонесущих элементов. Для защиты от пыли и песка в конструкции предусматриваются соответствующие уплотнители.

В процессе эксплуатации и транспортирования РЭА подвергается механическим воздействиям. В общем случае внешние механические воздействия на конструкцию приводят к проявлению сил тяжести и инерции, которые действуют на отдельные части конструкции и вызывают деформацию. В зависимости от места приложения силы и геометрической формы конструкции характер деформации и ее величина могут быть различны. В большинстве случаев механические нагрузки имеют сложный комплексный характер.

Механические воздействия можно характеризовать диапазоном частот колебаний, амплитудой, ускорением и временем действия. Механическим воздействиям подвергаются все категории РЭА, даже стационарная, эксплуатируемая в нормальных условиях, подвергается транспортной тряске при доставке ее после изготовления на место эксплуатации. Но наиболее сложным механическим воздействиям подвергается РЭА, устанавливаемая на подвижных объектах. Такая аппаратура испытывает воздействие вибрации, ударов и линейных ускорений. Механические воздействия возникают, например, при взлете и посадке самолетов, при изменении скорости движения, при движении объекта по дорогам, маневрировании и торможении, стартовых перегрузках и т.д. Параметры механических воздействий зависят от объекта установки РЭА.

Воздействие механических нагрузок приводит к механическим повреждениям, а часто к полному выходу аппаратуры из строя. Например, может произойти разрушение корпуса или отдельных его частей, нарушение герметичности вследствие разрушения паяных, сварных и клеевых швов, обрыв монтажных связей, отслаивание печатных проводников, расслаивание многослойных печатных плат, поломка керамических подложек интегральных микросхем, выход из строя разъемных и неразъемных электрических контактов.

Воздействие вибраций проявляется в основном на тех частях конструкции, которые имеют большую возможность деформироваться. Легко деформируемыми могут оказаться конструкции, имеющие большую массу но недостаточную жесткость, или сложные сборные конструкции, имеющие зазоры в соединениях. Наиболее опасным явлением при вибрации является механический резонанс частей конструкции, возникновение которого может привести к разрушению не только отдельных элементов конструкции, но и всей конструкции. Для исключения механического резонанса необходимо, чтобы собственная частота колебаний конструкции находилась вне полосы частот, возникающих при эксплуатации и перевозках. Собственная частота механических колебаний конструкции должна быть больше частоты воздействующих колебаний. Конструкция РЭА должна быть виброустойчивой и вибропрочной.

Под виброустойчивостью понимают способность конструкции нормально работать при воздействии вибраций, а под вибропрочностью – ее способность противостоять разрушающему действию вибраций и нормально работать после длительного воздействия вибраций.

Вибропрочность связана в основном с транспортировочной вибрацией, когда аппаратура выключена, а виброустойчивость с экслуатационной вибрацией, когда аппаратура включена.

Не менее опасны для РЭА ударные нагрузки, возникающие, например, для морской аппаратуры при сильных ударах штормовой волны о борт корабля, для самолетной – при посадке самолета. Удар возбуждает быстро спадающие по амплитуде колебания конструкции на резонансной частоте. При высоких частотах амплитуда колебаний падает быстрее, поэтому выбор наиболее высокой собственной частоты колебаний конструкции является правильным с точки зрения устойчивости конструкции к воздействию удара. Конструкция должна обладать устойчивостью к ударным нагрузкам.

Аппаратура, противостоящая разрушающему действию ударов заданной величины и длительности и после их воздействия продолжающая нормально работать, называется ударопрочной, а аппаратура, нормально работающая при воздействии ударов – удароустойчивой.

Механические воздействия приводят к перегрузкам. Перегрузкой называется отношение силы механического воздействия F к силе тяжести конструкции Р. Перегрузка

G=F/P

Если на конструкцию действует вибрация, изменяющаяся по синусоидальному закону, то величину перегрузки определяют по формуле:

G=A f ²/250,

где А – амплитуда вибрации, мм;

f – частота вибрации, гц.

Величину перегрузки при ударах можно определить экспериментально при помощи специальных приборов, которые называются акселерометрами.

Основными методами защиты от механических воздействий являются виброизоляция аппаратуры с помощью амортизаторов и обеспечение механической жесткости и прочности конструкции.

Амортизаторы – это специальные устройства для снижения перегрузок, представляющие собой пружинящий элемент, соединяющий блоки или прибор с вибрирующим основанием (корпусом корабля, фюзеляжем самолета). Введение амортизаторов между электронной аппаратурой и объектом установки ослабляет амплитуду передаваемых колебаний, но не уничтожает их полностью. Поэтому необходимо дополнительно обеспечить жесткость и прочность конструкции.

При разработке конструкции РЭА обязательно проводят проверку на устойчивость против механических перегрузок на специальных стендах, осуществляющих вибрацию, тряску и т.д.