Объекты установки электронных аппаратов и требования к ним

Объекты установки электронных аппаратов и требования к ним

Характер и интенсивность воздействия климатических, механических и радиационных факторов зависят от тактики использования и объекта, на котором эксплуатируется электронные аппараты (ЭА). По виду объекта установки ЭА можно разделить на три большие группы: стационарные, транспортируемые и портативные. Государственные стандарты классифицируют ЭА в зависимо-портативные и транспортируемые, а также на группы, разновидности и номера которых также приведены ниже.

Стационарная ЭА -- это аппаратура, эксплуатируемая в отапливаемых и неотапливаемых помещениях, бункерах, подвалах, помещениях с повышенной влажностью, на открытом воздухе, в производственных цехах (ЭА 1- и 2-й групп). Условия эксплуатации и транспортирования такой аппаратуры характеризуются весьма широким диапазоном рабочих (-50...+50 °С) и предельных (-50... +65 °С) температур, влажностью до 90...98 %, вибрацией до 120 Гц при 4...6 g, наличием многократных (до 5 g) и одиночных (до 75 g) ударов, воздействием дождя до 3 мм/мин и соляного тумана с дисперсностью капель до 10 мкм и содержанием воды до 3 г/м3.

Транспортируемая ЭА -- это аппаратура, устанавливаемая и эксплуатируемая на автомобилях и автоприцепах, железнодорожном и гусеничном транспорте, на судах различных классов (ЭА 3-, 4- и 5-й групп), на борту самолетов, ракет, космических аппаратов искусственных спутников Земли (бортовая ЭА -- 8-я группа). Специфика работы этого вида аппаратуры предопределяет повышенное воздействие механических факторов. Каждый вид транспорта имеет собственные вибрационные характеристики. Для предупреждения повреждения такой ЭА необходимо, чтобы вся она и отдельные ее части имели собственные частоты колебаний вне диапазона частот вибрации того транспортного средства, на котором машина эксплуатируется или перевозится.

На ЭА, установленную на автомобильном транспорте, могут воздействовать вибрация частотой до 200 Гц и удары, вызванные неровной дорогой. При движении железнодорожного транспорта возможны внезапные толчки, как следствие изменения скорости движения (при маневрировании возникают удары с ускорением до 40 g). Биение колес о стыки рельсов вызывают вибрацию с частотой до 400 Гц при ускорении до 2 g.

Особо жестким воздействиям подвергается конструкция ЭА, эксплуатируемая на гусеничном транспорте (танках, транспортерах, самоходной артиллерии, тракторах). Здесь вследствие «стука» гусениц частота вибраций может доходить до 7000 Гц с амплитудой ±0,025 мм. Удары, вызванные неровной дорогой, отдачей орудия при выстреле, попаданием снаряда в корпус, могут быть большой силы и сопровождаться вибрацией. Кроме того, постоянно воздействие акустического шума с уровнем до 150 дБ.

Если ЭА установлена непосредственно на орудийной площадке, то наибольшую опасность для нее представляет ударная волна -- главная причина толчков и вибраций. Величина сообщаемых ударной волной вибраций и ударов зависит от массы и поверхности корпуса ЭА. Чем больше масса и поверхность корпуса ЭА, тем эффект действия ударной волны меньше. ЭА в морском исполнении устанавливаются на больших сравнительно тихоходных кораблях, малых быстроходных судах, подводных лодках, а также орудийных площадках береговой артиллерии. Характерными условиями работы таких машин является наличие вибраций, ударных нагрузок и агрессивной (морской) атмосферы.

Вибрация на судне вызывается работой винтов, гребного вала, главного и вспомогательного двигателей и гидродинамическими силами, возникающими при движении судна по неспокойному морю.

Диапазон частот вибраций на кораблях сравнительно невелик и обычно не превышает 25 Гц. Амплитуда вибраций также невелика, величина ее зависит от места расположения.

Так, на крейсере наибольший уровень вибраций приходится на кормовую часть: частота 0...25 Гц с амплитудой до 25 мм. На более мелких судах, например на сторожевом корабле, больший уровень вибраций характерен для носовой части: частота до 1000 Гц с амплитудой до 1 мм.

Морской воздух, окружающий ЭА, установленную на корабле, содержит много различных активных веществ, постоянно влияющих на ее работоспособность. Поэтому ЭА этого класса должны обладать высокой коррозионной стойкостью, плеснестойкостью, водо- и брызгозащищенностью.

Бортовая ЭА устанавливается на самолетах, вертолетах и ракетах различного класса, управляемых снарядах, искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и космических аппаратах. На самолетах электронная аппаратура находится, как правило, в фюзеляже. При этом на нее воздействуют вибрационные нагрузки частотой до 500 Гц с амплитудой до 10 мм и акустический шум, уровень которого достигает 150 дБ при частоте 50... 10000 Гц.

Аппаратура, устанавливаемая на борту ракет различных классов и назначения, находится в наиболее неблагоприятных условиях с точки зрения воздействия вибраций, ударов и ускорений. Вибрации ракет в полете носят очень сложный характер, определяемый совместным воздействием работающего ракетного двигателя и аэродинамических эффектов.

Характер вибраций обычно беспорядочный, и поэтому она охватывает широкий диапазон частот. Например, мощные ракетные двигатели, работающие на жидком топливе, имеют частотный диапазон вибраций в несколько сотен герц. С уменьшением мощности двигателя частота вибраций увеличивается и может доходить до нескольких тысяч герц. Поэтому на вычислительную аппаратуру, установленную, например, на борту ИСЗ, при доставке на орбиту воздействие вибраций происходит на всем диапазоне частот. Наибольшее воздействие на ЭА оказывают вибрации двигателей малых ракет на твердом топливе, а также больших двигателей на жидком топливе. Частота вибраций составляет 2500 Гц при ускорениях до 20 g. Характер таких вибраций синусоидальный. В момент запуска ракеты и при ее полете на бортовую аппаратуру воздействует акустический шум, уровень которого достигает 150 дБ. Акустический шум малых ракет максимален в момент старта. Ускорение, развиваемое двигателем больших ракет на жидком топливе, обычно не превышает 15 g. Максимальное ускорение ракет, находящихся на управляемой орбите, не превышает 10 g, а малых ракет на твердом топливе -- 50 g.

Атмосферное давление в негерметизированной аппаратуре в процессе движения ракеты изменяется от нормального до практически нулевого значения. Большим изменениям подвергаются окружающая температура, содержание влаги и вредных веществ в атмосфере.

Портативная ЭА (6- и 7-я группы) включает микрокалькуляторы, ЭВМ типа «ноутбук», специализированные вычислители, находящиеся в распоряжении геолога, топографа, строителя, солдата и офицера армии и др. Сюда же можно отнести переносную радиоприемную и радиопередающую аппаратуру, небольшую медицинскую технику и т.д.

Небольшие габариты, малая мощность потребления, высокая надежность и сравнительно небольшая стоимость делают этот класс аппаратуры незаменимым для проведения расчетов, не требующих сложного программирования, осуществления экспериментов и исследований и т. д.

Условия работы портативной ЭА должны соответствовать зоне комфорта человека, которая характеризуется температурой окружающей среды 18...24 °С, уровнем акустического шума 70...85 дБ, влажностью 20...90 % и высотой над уровнем моря до 3000 м.

Если температура становится меньше -17 °С или выше +43,5 °С, уровень шума достигает 120 дБ, влажность составляет меньше 1 %, а высота над уровнем моря больше 6000 м, то считается, что такие условия превышают физиологические возможности человека, и он может в них существовать единицы или десятки минут.

Физические возможности человека ограничивают максимально допустимой массой переносимой им аппаратуры.

С этой точки зрения портативная аппаратура делится на легкую (до 29 Н для мужчин и до 16 Н для женщин), среднюю (соответственно до 147 Н и 80 Н) и тяжелую (до 390 Н и до 216 Н).

На портативную аппаратуру может воздействовать вибрация частотой до 20 Гц с ускорением до 2 g и удары до 10 g при длительности 5... 10 мс.

Различают и другие виды ЭА, эксплуатируемые, например, в условиях химического производства, в составе системы управления артиллерийского снаряда и др. Для них характерны сверхбольшие значения одного--трех внешних факторов, на устойчивость к которым и проектируется конструкция такой ЭА. Так, для работы в условиях химического производства главным является устойчивость к агрессивной среде, а для артиллерийского снаряда -- удар, ускорение и температура окружающей среды.

Вновь разрабатываемая ЭА должна отвечать тактико-техническим, конструктивно-технологическим, эксплуатационным, надежностным и экономическим требованиям. Все эти требования взаимосвязаны, и оптимальное их удовлетворение представляет собой сложную инженерную задачу. Кроме того, эти требования должны отвечать рекомендациям соответствующих государственных стандартов. Например, для средств вычислительной техники действуют следующие стандарты:

-Средства вычислительной техники. Общие технические требования, правила приемки, методы испытаний, маркировка, упаковка и хранение.

-Машины вычислительные, электронные цифровые общего назначения. Общие технические требования.

-Средства технические малых электронных вычислительных машин. Общие технические требования.

-Машины вычислительные электронные персональные. Типы, основные параметры. Общие технические требования.

-И другие.

Все эти требования содержатся в ТЗ на разрабатываемую ЭА.

Тактико-технические требования включают, в первую очередь, требования к параметром ЭА, характеризующим ее потребительские качества (для ЭВМ -- это быстродействие, объем оперативной, постоянной и внешней памяти, разрядность команд и данных, языки программирования и др.).

Эти требования в основном удовлетворяются на ранних стадиях разработки ЭА, когда определяется состав аппаратуры, ее структура, требования к отдельным устройствам и т. д.

Учитывая необходимость работы будущей ЭА в составе управляемой ею системы, необходимо предусмотреть их техническую, программную, информационную и эксплуатационную совместимость.

В конструкции ЭА должны быть предусмотрены меры защиты от воздействия климатических и механических факторов, состав и значения которых приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения воздействующих факторов на группы ЭА

К конструктивно-технологическим требованиям относятся: обеспечение функционально-узлового принципа построения конструкции ЭА, технологичность, минимальная номенклатура комплектующих изделий, ремонтопригодность, защита от несанкционированного доступа, удобный доступ к узлам и элементам, обеспечение безопасной работы оператора.

Функционально-узловой принцип конструирования, применяющийся в ЭА третьего и последующего поколений, заключается в разбиении принципиальной схемы аппаратуры на такие функционально законченные узлы, которые могут быть выполнены в виде идентичных конструктивно-технологических единиц.

Применение этого принципа конструирования позволяет автоматизировать процессы изготовления и контроля конструктивных единиц, упростить их сборку и наладку, организовать их производство на разных предприятиях.

Понятие технологичность включает правила и положения, определяемые возможностями предприятия-изготовителя ЭА и влияющих на эффективность ее производства и эксплуатации.

Аппаратура, технологичная для одного предприятия, может оказаться нетехнологичной для другого. Причинами этого могут быть: неравномерный уровень развития предприятий, их различие в технической оснащенности, уровне и культуре производства.

Понятие технологичности тесно связано с понятием экономичности конструкции ЭА. Наиболее технологичные конструкции, как правило, и наиболее экономичны в условиях производства.

Технологичность конструкции ЭА в существенной степени определяется рациональным выбором ее структуры, которая должна разрабатываться с учетом автономного, раздельного изготовления и наладки ее основных элементов, узлов, блоков. Конструкция ЭА более технологична, чем меньше регулировочных и доводочных операций приходится выполнять после ее окончательной сборки.

В этом плане идеальная технологичность у ЭА, которая, будучи собранной из отдельных узлов, выполняет заданные функции сразу же после включения электропитания.

В технологичной конструкции должны максимально использоваться унифицированные, нормализованные и стандартные детали и материалы.

Необходимость разработки новых материалов с улучшенными свойствами или новых технологических процессов должна быть технически и экономически обоснована. В технологичной конструкции максимально используют взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность, инструментальная доступность узлов и элементов.

К эксплуатационным требованиям относят простоту управления и обслуживания, применение различных мер сигнализации опасных режимов работы (выход из строя, обрыв заземления, открывание дверей шкафов и т. д.), наличие в комплекте ЭА аппаратуры и инструментов, обеспечивающих профилактический контроль и наладку конструктивных элементов.

С эксплуатационными требованиями тесно связаны требования обеспечения нормальной работы оператора: организация его рабочего места, возможность подхода ко всем устройствам ЭА, безопасная работа при отладке и ремонте.

Важна также такая организация пульта управления ЭА и расположение клавиш на нем, клавиатуре и дисплея (для персональных машин), которая бы отвечала современным эргономическим требованиям и требованиям инженерной психологии. Внешний вид ЭА должен быть эстетичным, а органы управления должны быть удобными, доступными и не вызывать напряжения органов чувств у оператора.

Требования по надежности включают конкретные количественные характеристики: вероятность безотказной работы за определенный отрезок времени, среднюю наработку на отказ, среднюю наработку на сбой, среднее время восстановления работоспособности, срок службы, коэффициент технического использования, средний срок сохраняемости, коэффициент готовности.

К экономическим требованиям относят минимально возможные затраты времени, труда и материальных средств на разработку, изготовление и эксплуатацию ЭА; минимальную стоимость ЭА после освоения ее в производстве; минимальные затраты на эксплуатацию, обслуживание и плановые ремонты.

В заключение приведем некоторые из характеристик, которыми должна обладать, например, электронно-вычислительная аппаратура в соответствии с рекомендациями, изложенными в приведенных в начале этого параграфа государственных стандартах.

Для ЭВМ общего назначения предусмотрено 6 классов производительности до 20 - 106 и более коротких операций в секунду с минимальной емкостью оперативной памяти не менее 4 Мбайт. Для персональных ЭВМ предусмотрено 5 типов исполнения с разрядностью от 8 до 32, производительностью не менее 4 - 106 коротких операций в секунду, емкостью ОЗУ не менее 8 Мбайт.

ЭВМ общего назначения должны отвечать следующим показателям надежности. Средняя наработка на отказ в зависимости от класса машины должна составлять 500--2000 ч. Среднее время восстановления работоспособности выбирается из ряда: 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 ч.

Средний срок службы с учетом восстановительных работ должен быть не менее 10 лет. Коэффициент технического использования должен быть не менее 0,95 из расчета круглосуточной работы в течение одного года. Средний срок сохраняемости до ввода в эксплуатацию установлен не менее 9 месяцев. Коэффициент готовности должен быть не менее 0,98.

Для персональных ЭВМ средняя наработка на отказ должна быть не менее 15000 ч. среднее время восстановления работоспособности не должно превышать 0,25 ч, а время готовности не должно превышать 2 мин.

Средняя наработка на отказ микрокалькуляторов установлена не менее 20000 ч, срок службы не менее 10 лет, а время готовности не более 30 с.