Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

им. А.Н. ТИХОНОВА

Выпускная квалификационная работа

по направлению 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ БЛОКА БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ

Студент: Варцабюк А. В.

Руководитель ВКР

к.т.н., доцент ДЭИ МИЭМ

НИУ ВШЭ Сотникова С. Ю.

Москва 2020 г.



Аннотация

Настоящая выпускная квалификационная работа посвящена изучению процессов, влияющих на надёжность бортовой аппаратуры. Целью исследования является решение практической задачи по анализу и оценке надёжности блока стабилизации тока Зеемановского лазерного гироскопа. В качестве основного инструмента используется специализированная подсистема для расчёта надёжности радиоэлектронных компонентов и систем АСОНИКА-К-СЧ. Результатами исследования является общая оценка надёжности устройства и выведение итоговой вероятности безотказной работы, а также предложение способа повышения надёжности бортового оборудования.



Abstract

This final qualification work is devoted to the study of processes that affect the reliability of on-board equipment. The aim of the study is to solve the practical problem of analyzing and assessing the reliability of the current stabilization unit of the Zeeman laser gyroscope. As the main tool, a specialized subsystem is used to calculate the reliability of electronic components and systems ASONIKA-K-SCh. The results of the study are a general assessment of the reliability of the device and the derivation of the final probability of failure-free operation, as well as a proposal for a way to increase the reliability of on-board equipment.



Оглавление

гироскоп лазерный электроника аппаратура

Введение

1. Теоретические и конструкционные сведения о Зеемановском лазерном гироскопе

1.1 Принцип работы

1.2 Устройство и применение

2. Теоретические основы оценки надёжности авиационной электроники

2.1 Факторы, влияющие на надёжность авиационной электроники

2.2 Оценка надёжности ЭРИ

2.3 Способы повышения отказоустойчивости РЭС бортовой аппаратуры

3. Оценка надёжности блока стабилизации тока лазерного гироскопа

3.1 АСОНИКА-К-СЧ - подсистема для расчета надёжности

3.2 Расчёт надёжности БСТ

3.3 Расчёт надёжности БСТ с учётом резервирования

3.4 Зависимость интенсивности отказа от температуры

3.5 Анализ полученных результатов

Заключение

Список использованной литературы

Введение

С активным развитием авиационной техники, всё большую роль в её работоспособности играют инфокоммуникационные технологии, что порождает новые, более повышенные требования к оценке надёжности бортовой аппаратуры. На надёжность бортовой аппаратуры оказывает влияние множество факторов: тепловые, механические и электрические нагрузки; рациональность электронной схемы, соблюдение режимов работы, установленных техническими условиями (ТУ). Для обеспечения высоконадёжной работы радиоэлектронной аппаратуры в течение всего времени эксплуатации разработчиками проводится оценка надёжности радиоэлектронных компонентов по отдельности и всей системы в целом в момент первоначального проектирования радиоэлектронного средства. За счёт этого выявляются недостаточно отказоустойчивые компоненты, которые подлежат замене, или выносится решение о повышении надёжности устройства в случае несоответствия нормам, указанным в ТУ.

Целью выпускной квалификационной работы (ВКР) является решение практической задачи по анализу и оценке надёжности бортового оборудования на этапе проектирования.

Объектом исследования является блок стабилизации тока (БСТ) Зеемановского лазерного гироскопа, являющийся разработкой АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха», для которого и будет проводиться оценка надёжности.

Для выполнения данной оценки надёжности будет использоваться подсистема автоматизированного расчёта надёжности радиоэлектронных компонентов и систем АСОНИКА-К-СЧ, являющаяся частью системы АСОНИКА [1].

Для достижения поставленной в работе цели были поставлены следующие задачи:

- рассмотреть принцип работы и устройство лазерного гироскопа;

- изучить теоретические основы оценки надёжности бортового оборудования;

- освоить принципы работы в подсистеме АСОНИКА-К-СЧ;

- провести оценку надёжности блока стабилизации тока лазерного гироскопа;

- провести анализ полученного результата и предложить способ повышения надёжности устройства.

В соответствии с поставленными задачами структура ВКР состоит из трех основных частей:

1. Теоретические и конструкционные сведения о Зеемановском лазерном гироскопе. Детализированное рассмотрение лазерного гироскопа с точки зрения его работы, конструкции и назначения для полного его представления с точки зрения надёжности в дальнейшем.

2. Теоретические основы оценки надёжности радиоэлектронных компонентов и систем авиационной техники. Рассмотрение процесса оценки надёжности авиационной аппаратуры от факторов, влияющих на надёжность бортовой аппаратуры и самого алгоритма расчёта надёжности, до способов увеличения показателей надёжности, а именно вероятности безотказной работы, одним из которых является резервирование.

3. Оценка надёжности блока стабилизации тока лазерного гироскопа. Описание процесса оценки надёжности с помощью подсистемы АСОНИКА-К-СЧ вместе с описанием самой подсистемы, исправление возможных нарушений показателей надёжности, а также анализ полученных результатов оценки надёжности.

Результаты данной работы могут быть использованы при проектировании блока стабилизации тока лазерного гироскопа, а также других сложных радиоэлектронных систем.

1. Теоретические и конструкционные сведения о Зеемановском лазерном гироскопе

1.1 Принцип работы

Гироскоп - устройство, реагирующие на изменение угла объекта, подключенного к гироскопу, в пространстве. Гироскопы классифицируются:

1. По количеству степеней свободы:

· двухстепенные;

· трехстепенные;

2. По принципу действия:

· механические (роторный, вибрационный, роторно-вибрационные, пьезоэлектрические, волновые твердотельные, камертонные, МЭМС);

· оптические (лазерные (активные оптические), пассивные оптические, волоконно-оптические и интегрально-оптические.

В данном исследовании будет рассмотрен лазерный (активный оптический) гироскоп. Лазерный гироскоп - устройство, работающее на основании эффекта Саньяка: во вращающемся кольцевом интерферометре при встрече электромагнитных волн, образуется фазовый сдвиг [2, 3]

Самый простая конструкция лазерного гироскопа, показанная на рисунке 1.1, представляет собой обыкновенное устройство с тремя зеркалами-отражателями, которые размещены по углам контура так, чтобы образовать замкнутую траекторию (кольцо) для лазерного луча [4].



Рис. 1.1 Схема работы лазерного гироскопа

Световой луч создаётся с помощью двух квантовых резонаторов. При этом не обязательно, что резонаторов должно быть два: вместо этого может быть установлен один оптический квантовый генератор, имеющий несколько активных элементов, формирующий движущиеся в противоположном направлении лучи. Один из квантовых резонаторов посылает луч по часовой стрелке, а другой - против часовой стрелки. При повороте резонатора в инерциальном пространстве проходимые лучами оптические пути по и против часовой стрелки оказываются разными, и разность между данными путями приводит в данном случае к разности частот получаемых колебаний, которая в итоге и определяет скорость вращения резонатора [5].

Полученная разность частот определяется по формуле:

где Щ - угловая скорость вращения гироскопа,

л - длина волны,

A - площадь, охватываемая лучом,

L - периметр резонатора.

В лазерном гироскопе поддерживается стоячая волна, а её узлы и пучности связаны с инерциальной системой отсчёта. При вращении корпуса гироскопа относительно стоячей волны на фотодетекторе запечатлеются движущиеся по ним интерференционные полосы, которые пропорциональны малым фиксированным приращениям поворота. Подсчитав их количество и направление следования через фотодетектор, можно измерить угол поворота при той или иной оси, а продифференцировав их во времени - угловую скорость.

Лазерный гироскоп позволяет на выходе получить удобные для управления сигналы, например, в виде последовательности электрических импульсов, где направление поворота гироскопа определяется их полярностью.

Однако для создателей бортовой аппаратуры гораздо более важна точность работы прибора. Такие гироскопы регистрируют скорость вращения меньше 0.1 град/ч, что приводит к необходимости измерять разность оптических траекторий с точностью вплоть до 10^-5 нм, а также изменения частоты в районе 0,1 Гц при условии рабочей частоты около 10¹⁴ - 10¹⁵ Гц. Основная проблема гироскопа на лазере в том, что из-за наличия определённой зоны захвата под влиянием обратного рассеяния вблизи нее, при малых угловых скоростях различие частот небольшое и становится невозможно зарегистрировать сигнал из-за их синхронизации. Для этого используются специальные подложки на эффекте Зеемана или Фарадея, из-за чего впоследствии некоторые лазерные гироскопы называют Зеемановскими.

На работу и точность измерения угловой скорости влияет множество внешних факторов:

· влияние температуры на гироскоп отражается на коэффициентах преломления, внутренних механических напряжениях конструкций гироскопа на лазере, а также из-за температуры изменяется рассеяние при температурной перестройке резонатора [6];

· механические факторы, такие как ускорения и вибрации, приводят к сбоям в электронных блоках и изменениям оптических характеристик лазерного гироскопа из-за изменения внутренних механических напряжений в конструкции;

· круговая составляющая магнитного поля влияет на магнитооптическую чувствительность отражающих элементов и поляризацию встречных лучей.

Все эти факторы крайне негативно влияют на работу и точность гироскопа на лазере. Для предотвращения таких проблем нужно построить гироскоп, который под воздействием различных внешних факторов будет способен не только отслужить весь свой срок службы без преждевременного выхода из строя, но и сохранить в лучшем виде все свои качества и свойства в течение всего срока эксплуатации.

1.2 Устройство и применение

Устройство лазерного гироскопа со временем претерпевало изменения. Основа лазерного гироскопа, а именно кольцевой контур с резонатором приведена на рисунке 1.2. Общий внешний вид такого гироскопа приведён на рисунке 1.3.

Однако ещё более важную роль играет множество электронных блоков и схем на выходе, отвечающих за подключение гироскопа к бортовым датчикам, стабилизации выходного сигнала с фотодетектора и расчёт зарегистрированного сигнала. В итоге лазерный гироскоп выглядит как закрытый цилиндр, наполненный оптоэлектронными компонентами, электронными узлами и блоками. Одним из таких блоков является блок стабилизации тока (БСТ). Блок стабилизации тока отвечает за стабилизацию сигнала, выходящего с фотодетектора, а также выполняет функцию защиты от внешних помех, приводящих к некорректной работе гироскопа и неправильному расчёту итоговой угловой скорости.

Рис. 1.2 Схема кольцевого лазерного гироскопа с внешним оптическим резонатором: 1 - треугольный оптический моноблок; 2 - цилиндрические каналы; 3, 4 - зеркала с высокой отражательной способностью; 5 - полупрозрачное зеркало; 6 - призма; 7 - доп. оптический резонатор; 8 - полупроводниковый лазер

Рис. 1.3 Лазерный гироскоп КМ-11-1А производства НИИ «Полюс»

Виды конструкции печатного узла БСТ были предоставлены АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха» и приведены на рисунке 1.4. Также организацией были предоставлена классификация электрорадиоизделий (ЭРИ) с указанием их тепловых мощностей, классификация приведена в таблице 1.1.

а) б)

Рис. 1.4 Вид конструкции печатного узла БСТ лазерного гироскопа (а - передняя и б - задняя стороны)

Для корректной работы всего гироскопа на лазере, необходимо соблюдение тепловых, механических и прочих режимов для всех электронных блоков и схем в течение всего времени эксплуатации. Для этого крайне необходим точный расчёт надёжности всех компонентов по отдельности и всего блока в целом. В данной работе будет рассмотрена оценка надёжности исключительно БСТ Зеемановского лазерного гироскопа, что не отменяет того факта, что такая оценка надёжности требуется для всего гироскопа в целом.



Таблица 1.1

Перечень ЭРИ БСТ лазерного гироскопа и значения их мощностей тепловыделения



2. Теоретические основы оценки надёжности авиационной электроники

2.1 Факторы, влияющие на надёжность авиационной электроники

Надёжность - свойство объекта сохранять во времени значения параметров в установленных пределах для выполнения требуемых функций в заданных по ТУ условиях [7-9]. Для бортовых электронных приборов крайне недопустим выход из строя радиоэлектронных компонентов любым образом, ибо нарушения их работы или отказы могут привести к катастрофическим последствиям. Создатели такой техники должны в первую очередь обращать большое внимание на факторы, влияющие на надёжность, которые определят в дальнейшем итоговый уровень таких свойств объекта, как [10]:

· безотказность - свойство элемента или системы выполнять заданную функцию с установленными технической документацией параметрами непрерывно на протяжении всего срока эксплуатации;

· долговечность - свойство элемента или системы сохранять работоспособность до наступления состояния, при котором его дальнейшее использование или восстановление будет невозможно; определяется физическим износом (невозможность или невыгодность ремонта), или моральным износом (несоответствие современным условиям эксплуатации);

· ремонтопригодность - приспособленность к восстановлению работоспособного состояния объекта после повреждения или отказа;

· сохраняемость - свойство объекта непрерывно сохранять свои эксплуатационные показатели в течение установленного срока транспортировки и хранения, а также после данного срока.

Факторы надёжности бортовой аппаратуры подразделяются на 3 типа: факторы проектирования, факторы производства и факторы эксплуатации.

Факторы проектирования связаны с разработкой необходимых нам радиоэлектронных средств, а именно:

· подбор совместимых отказоустойчивых радиоэлементов (резисторов, конденсаторов, транзисторов и т. п.), и то, при каких режимах они будут работать;

· построение структурной и функциональной схемы, которые будут являться рациональными для данной РЭС;

· назначение требований к допускам технических характеристик радиоэлементов (при слишком большом уровне допуска, высокое отклонение от нормированных характеристик может привести к их предварительному выходу из строя);

· предварительная оценка надёжности РЭС, которая определит готовность объекта к производству и эксплуатации, а также запасы его прочности и надёжности.

Факторы производства связаны с организацией производства: оформления входного и выходного контроля радиоэлементов, организации технологического процесса изготовления, контроль качества выходящей продукции, проведение испытаний производимого оборудования и т. д.

Факторы эксплуатации напрямую связаны с внешними воздействиями, которые будет испытывать летательный аппарат на протяжении всего времени эксплуатации: тепловые, механические, электрические и другие, а также влияние человеческого фактора на эксплуатацию.

Полный список факторов надёжности приведён на рисунке 2.1. Стоит учесть, что данный список относится не только к радиоэлектронным компонентам и системам, но и ко всему авиационному оборудованию в целом.



Рис. 2.1 Факторы, определяющие надёжность оборудования электронных блоков авиационных систем (ЭБ АС)

Из данного списка видно, что некорректный расчёт надёжности ставит под сомнение дальнейший процесс создания такой техники. При этом данный фактор является чисто субъективным: к сожалению, для нашего времени некоторые компании пренебрегают полноценной оценкой надёжности для удешевления процесса изготовления оборудования.

2.2 Оценка надёжности ЭРИ

Оценка надёжности ЭРИ напрямую связана с вычислением интенсивности отказов каждого радиоэлектронного компонента по отдельности и всей системы в целом.

Эксплуатационная интенсивность отказа ЭРИ:

(1)

где - базовая интенсивность отказа элемента, рассчитанная по результатам различных испытаний ЭРИ;

- коэффициенты, которые определяют влияние различных факторов на эксплуатационную интенсивность отказа элементов;

n - число факторов.

После вычисления эксплуатационной интенсивности отказов всех компонентов по отдельности по формуле (1), суммируем и выводим итоговое значение для всей системы:

(2)

где m - число элементов.

Используя экспоненциальное распределение, выводим вероятность безотказной работы:

(3)

где t - время эксплуатации.

Рассмотрим базовые математические модели расчёта надёжности для типов элементов, которые будут рассмотрены в дальнейшем.

Математическая модель для расчёта эксплуатационной интенсивности отказов интегральных микросхем:

Математические модели для расчёта эксплуатационной интенсивности отказов полупроводниковых приборов:

· диоды

· стабилитроны

· биполярные транзисторы

· полевые транзисторы

Математическая модель для расчёта эксплуатационной интенсивности отказов резисторов:

Расшифровка коэффициентов К для данных типов элементов, а также остальных: общих и специализированных - приведены в таблицах 2.1 и 2.2 соответственно. Возможные числовые значения коэффициентов К, а также формулы расчёта эксплуатационной интенсивности отказов для остальных типов элементов приведены в справочнике [11].



Таблица 2.1

Общие коэффициенты факторов



Таблица 2.2

Специализированные коэффициенты факторов



2.3 Способы повышения отказоустойчивости РЭС бортовой аппаратуры

Существует множество способов повышения отказоустойчивости радиоэлектронных средств в бортовой аппаратуре: системы кулерного или струйного охлаждения при тепловых нагрузках; различные амортизаторы при механических нагрузках. Однако бортовая аппаратуры отличается ограниченным пространством для установки и сильным влиянием на скоростные характеристики из-за излишнего веса. В итоге установка систем, ослабляющих внешние воздействия, оказывается крайне невыгодной из-за возможного искажения или нарушения летательных процессов.

Универсальным решением такой проблемы является резервирование. Резервирование - прикрепление к радиоэлементам или системам резервных элементов/систем, которые будут замещать их при выведении из строя основных компонентов. Резервирование бывает разных типов:

1) По масштабу резервирования:

a) общий резерв - резерв целой системы;

b) раздельный резерв - резерв отдельных элементов;

c) смешанный резерв - комбинация предыдущих двух.

2) По начальной нагрузке на элементы при их замещении:

a) нагруженный (горячий) резерв - нагрузка сопоставима с основной;

b) облегченный (ждущий) резерв - нагрузка меньше, чем на основу;

c) ненагруженный (холодный) резерв - нагрузка значительно меньше, чем на основу.

Итоговая вероятность безотказной работы при общем нагруженном резерве:

где m - кратность резервирования, являющаяся отношением числа резервных элементов к числу основных.

Для случая с лазерным гироскопом на борту возможно только общее нагруженное резервирование, так как расположение РЭС и условия эксплуатации не позволяют замещать компоненты поэлементно, а наличие коммутационных элементов (элементы, которым требуется время на включение), приводит в случае ненагруженного и облегчённого резерва к задержкам, недопустимым для такого оборудования.



3. Оценка надёжности блока стабилизации тока лазерного гироскопа

3.1 АСОНИКА-К-СЧ - подсистема для расчета надёжности

АСОНИКА-К-СЧ - подсистема для расчёта надёжности радиоэлектронных компонентов, узлов и систем. В неё включена база данных элементов, их режимов и условиях применения из множества справочников. Главная особенность данной подсистемы - проводится полный расчёт надёжности вне зависимости от типа внешних воздействий, будь то тепловое, электрическое, механическое и т.д.

С учётом введённых входных данных, таких как время эксплуатации, необходимая эксплуатационная интенсивность отказов или вероятность безотказной работы и других, приведённых на рисунке 3.1, вычисляется итоговая интенсивность отказа одиночного элемента или целого блока, а вместе с ней и вероятность безотказной работы.

Рис. 3.1 Окно назначения параметров ЭРИ

По итогу расчёта надёжности строится гистограмма, пример которой показан на рисунке 3.2, размер ее столбцов определяет интенсивность отказов узлов/компонентов, показывая их влияние на надёжность блока/узла. При выполнении заданных граничных условий столбец выделяется зелёным цветом, если нет, то красным.

Рис. 3.2 Гистограмма влияний электронных компонентов на надёжность системы

Также в данной программе возможно задание нужного нам типа резервирования и построения графика зависимости интенсивности отказов от температуры окружающей среды. В этой программе будет проведена оценка надёжности блока стабилизации тока лазерного гироскопа.

3.2 Расчёт надёжности БСТ

С помощью программы АСОНИКА-К-СЧ была проведена оценка надёжности блока стабилизации тока лазерного гироскопа. Сразу стоит отметить, что в расчёте надёжности принимали участие только те типы радиоэлектронных компонентов, которые максимально влияют на итоговый результат расчёта, для его ускорения. Учитывая значения тепловых мощностей, приведённых в таблице 1.1., принимают участие в расчёте резисторы (из-за большого количества резисторов было решено поделить их на две группы: с передней и с задней стороны платы), микросхемы, диоды и транзисторы. Такие типы элементов как конденсаторы участие в расчёте не принимали.

При проведении расчета были взяты следующие начальные условия при условии установки гироскопа на ракете:

· Вероятность безотказной работы - не ниже 0,997.

· Температура окружающей среды - 60 ?.

· Приёмка - 9.

· Группа аппаратуры - 4.1. «В условиях запуска».

· Время эксплуатации - 24 ч.

После введения начальных условий и радиоэлектронных компонентов вместе с характеристиками для каждого из них (тепловая мощность, сопротивление (для резисторов) и др.) в подсистему, был проведён расчёт надёжности БСТ лазерного гироскопа и получены следующие гистограммы интенсивностей отказов: резисторов с передней стороны (рис. 3.3) и с задней стороны (рис. 3.4) платы; микросхем (рис. 3.5); диодов (рис. 3.6); транзисторов (рис. 3.7) и всех узлов элементов (рис. 3.8)

Рис. 3.3 Гистограмма эксплуатационных интенсивностей отказов резисторов (передняя сторона платы)

Рис. 3.4 Гистограмма эксплуатационных интенсивностей отказов резисторов (задняя сторона платы)

Рис. 3.5 Гистограмма эксплуатационных интенсивностей отказов микросхем



Рис. 3.6 Гистограмма эксплуатационных интенсивностей отказов диодов

Рис. 3.7 Гистограмма эксплуатационных интенсивностей отказов транзисторов



Рисунок 3.8 Гистограмма эксплуатационных интенсивностей отказов всех узлов БСТ лазерного гироскопа в ракете

Из рисунков (3.3 - 3.8) видно, что:

1. Суммарная эксплуатационная интенсивность отказов [1/ч]:

· резисторов с передней стороны - 7.87 * 10^-7;

· резисторов с задней стороны - 9.87 * 10^-7;

· микросхем - 3.2 * 10^-7;

· диодов - 1.76 * 10^-8;

· транзисторов - 4.88 * 10^-7;

· всего блока - 2.53 * 10^-6;

2. Вероятность безотказной работы всего блока равна 0.99994 при требуемой вероятности равной 0.997.

Тем самым, эксплуатационная интенсивность отказов всех компонентов и узлов находится в пределах нормы и не требует проведения работ по повышению надёжности. Связано эти с крайне малым временем эксплуатации, так как не предусмотрено техобслуживание после выполнения поставленной задачи ракетой.

Так как вероятность безотказной работы блока стабилизации тока лазерного гироскопа при эксплуатации в составе бортовой аппаратуры ракетной техники значительно выше требуемой, дальнейшее исследование будет связано с определением возможности эксплуатации блока по назначению в составе бортовой аппаратуры авиационной техники. Время эксплуатации в составе бортовой аппаратуры авиационной техники значительно выше, в связи с многоразовым использованием по назначению и составляет 10600 ч. С учётом тех же оставшихся начальных условий и измененного времени эксплуатации была построена следующая гистограмма интенсивностей отказов узлов БСТ лазерного гироскопа (рис. 3.9).

Рис. 3.9 Гистограмма эксплуатационных интенсивностей отказов узлов БСТ лазерного гироскопа на борту самолёта

Из данной гистограммы понятно, что вероятность безотказной работы равна 0.973 что ниже требуемой вероятности 0.997, а эксплуатационная интенсивность отказа для заданного времени эксплуатации является недостаточной для всех типов элементов, кроме диодов. Тем самым понятно, что текущая конструкция БСТ лазерного гироскопа не соответствует заданным условиям при нахождении на борту самолёта. Необходимо глобальное понижение интенсивности отказов практически всех узлов для доведения значения вероятности безотказной работы до требуемого уровня.



3.3 Расчёт надёжности БСТ с учётом резервирования

Как было указано ранее, требуется глобальное понижение эксплуатационной интенсивности отказов практически всех элементов системы при условии эксплуатации гироскопа в составе самолетного оборудования. Поэлементная замена в данном случае является невозможной. Единственный способ повысить надёжность БСТ лазерного гироскопа - использовать метод резервирования. Как было сказано ранее, при особенностях конструкции самолётной техники возможен только общий нагруженный резерв, желательно с небольшим количеством резервных блоков. Вводим такую ситуацию в АСОНИКА-К-СЧ через отдельное окно, приведённое на рисунке 3.10.

Рис. 3.10 Окно параметров резервирования

В данное случае используем дублирование, то есть на один оригинальный (основной) блок приходится один резервный. После этого при тех же начальных условиях проводим перерасчёт надёжности БСТ гироскопа на лазере. Итоговая гистограмма влияния эксплуатационной интенсивности отказов радиоэлементов на общую надёжность приведена на рисунке 3.11.



Рис. 3.11 Гистограмма эксплуатационных интенсивностей отказов узлов БСТ лазерного гироскопа самолёта на борту самолёта с учётом резервирования

На данной гистограмме видно, что общего нагруженного резервирования с кратностью резервирования равной единице оказалось достаточно, чтобы предотвратить возможные проблемы в области надёжности в связи с повышенным временем эксплуатации, потому что эксплуатационная интенсивность отказов была понижена до 1.688*10^-6 1/ч и вероятность безотказной работы стала равной 0.9992. Дальнейшие изменения в конструкции не требуются, так как нормированная вероятность безотказной работы, равная 0.997 достигнута.

3.4 Зависимость интенсивности отказа от температуры

Блок стабилизации тока лазерного гироскопа работает при температурах от -50? до 60?. Прошлый расчёт надёжности был проведён исключительно для температуры окружающей среды, равной 60?. Для того, чтобы не строить дополнительные гистограммы эксплуатационных интенсивностей отказов, в подсистеме АСОНИКА-К-СЧ возможно построить зависимость эксплуатационной интенсивности отказов блока от температуры. Для данного диапазона температур построим график зависимости (рис. 3.12). График строится для БСТ лазерного гироскопа, в условиях эксплуатации самолёта без учёта резервирования.

Рис. 3.12 Окно графического анализа результатов расчёта

Также в АСОНИКА-К-СЧ можно отдельно создать таблицу в формате HTML. Данная таблица приведена на рисунке 3.13.



Рис. 3.13 Таблица значений эксплуатационной интенсивности отказов в соответствии с температурой эксплуатации

По данным значениям видно, что с понижением температуры окружающей среды эксплуатационная интенсивность отказов блока стабилизации тока лазерного гироскопа также постепенно снижается: с 2.53*10^-6 1/ч при 60 ? до 1.59*10^-6 1/ч при -50 ?. Также видно, что эксплуатационная интенсивность отказов БСТ при температуре -30 ? без учёта резервирования равна 1.705*10^-6 1/ч, что приблизительно равно эксплуатационной интенсивности отказа при температуре 60 ? с учётом резервирования (1.688*10^-6 1/ч). Тем самым можно понять, что начиная с температуры окружающей среды приблизительно -30 ? и ниже возможно использования блока стабилизации тока лазерного гироскопа в условиях работы самолёта без использования нагруженного резервирования.

3.5 Анализ полученных результатов

В результате выполнения работы в подсистеме автоматизированного расчёта надёжности радиоэлектронный изделий и систем АСОНИКА-К-СЧ был проведён расчёт надёжности блока стабилизации тока Зеемановского лазерного гироскопа.

Сначала была проведена оценка надёжности БСТ лазерного гироскопа в условиях применения в ракетной технике, по итогу которой эксплуатационная интенсивность отказов была равна 2.53 * 10^-6 1/ч, а вероятность безотказной работы была равна 0.99994 при требуемой вероятности равной 0.997, в результате чего не требовалось дальнейших изменений. Затем был проведен расчет для самолёта, однако программа выявила вероятность безотказной работы ниже требуемой (0.973), что потребовало разработки мер, снижающих эксплуатационную интенсивность отказов блока с последующим повышением вероятности безотказной работы. В итоге было предложено применить к БСТ лазерного гироскопа общее нагруженное резервирование, кратное единице, которое привело к понижению эксплуатационной интенсивности отказов до 1.688*10^-6 1/ч, чего оказалось достаточно для достижения вероятности безотказной работы выше требуемой и равной 0.9992.

Также в подсистеме АСОНИКА-К-СЧ был построен график зависимости интенсивности отказов от температур в условиях самолётной техники без учёта резервирования. В результате было выявлено, что при температурах окружающей среды от -30 ? и ниже появляется возможность не использовать нагруженное резервирование, в связи достижением необходимой эксплуатационной интенсивности отказов (1.688*10^-6 1/ч) из-за понижения температуры, в которой самолёт эксплуатируется.

Заключение

С развитием технического прогресса количество электронных устройств только увеличивается, и отрасль электроники является одной из самых актуальных на сегодняшний день. Также существует необходимость в качественном проектировании электронной аппаратуры, особенно для авиации. При создании высоконадежного устройства важно провести полную оценку надёжности всех компонентов и систем. Из-за того, что проводить такую оценку вручную довольно сложно, используют такое программное обеспечение, как подсистема АСОНИКА-К-СЧ.

В настоящей выпускной квалификационной работе были рассмотрены факторы, влияющие на надёжность авиационной и ракетной техники. Был рассмотрен алгоритм ручного расчёта эксплуатационной интенсивности отказа и вероятности безотказной работы с помощью справочника и способ уменьшения общей эксплуатационной интенсивности отказов с помощью резервирования. Было дано краткое описание подсистемы автоматизированного расчёта надёжности ЭРИ АСОНИКА-К-СЧ, и с помощью неё был проведён расчёт интенсивности отказов и вероятности безотказной работы всех радиоэлементов и всего БСТ лазерного гироскопа. Расчёт показал соответствие требованием надёжности в условиях эксплуатации ракеты, в связи с вероятностью безотказной работы, равной 0.99994, что выше требуемой вероятности, равной 0.997, но выявил вероятность безотказной работы ниже требуемого значения (0.973) в условиях эксплуатации самолёта. Дальнейшая работа была проведена для повышения данной вероятности, и в итоге для решения данной проблемы было предложено использование общего нагруженного резервирования. Также был создан график зависимости эксплуатационной интенсивности отказов от температуры окружающей среды в условиях эксплуатации на самолёте без учёта резервирования, на котором было выявлено, что повышение показателей надёжности блока стабилизации тока лазерного гироскопа необходимо только при температуре эксплуатации выше -30 ?.

Результаты моделирования могут быть использованы для дальнейшего проектирования блока.

Список использованной литературы

1. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадёжных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. Том 1. / Под ред. Ю.Н. Кофанова, Н. В. Малютина, А.С. Шалумова - М.: Энергоатомиздат, 2007. 368 с.

2. Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. /Под ред. проф. Бычкова С.И. М.: Советское радио, 1975. 424 с.

3. А.Д. Богданов. Гироскопы на лазерах. М.: Воениздат, 1973.

4. Б.Ф. Фёдоров, А.Г. Шереметьев, В.Н. Умников. Оптический квантовый гироскоп. /Под ред. А.Г. Шереметьева. М.: Машиностроение, 1973.

5. Гироскопические системы: Гироскопические приборы и системы: Учеб. для вузов по спец. «Гироскоп. приборы и устройства» /Д.С. Пельпор, И.А. Михалёв, В.А. Бауман и др.; Под ред. Д.С. Пельпора. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1988. 424 с.

6. В.Е. Джашитов, В.М. Панкратов. Математические модели теплового дрейфа гироскопических датчиков инерциальных систем /Под общ. Ред. В.Г. Пешехонова; РАН. Научный совет по проблемам управления движением и навигации. СПб, 2001. 149 с

7. Ястребенецкий М.А. Надежность автоматизированных систем управления технологическими процессами [Текст]: учеб. пособие для вузов/ М.А. Ястребенецкий, Г.М. Иванова. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 264 с.

8. ГОСТ 27.002-89. «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» // Изд. документ, принятый организацией СНД - институт машиноведения АН СССР; Код МКС 01.040.21; 21.020; Россия: введ. 01.07.2010.

9. ГОСТ 24.701-86. Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Надежность автоматизированных систем управления. Основные положения. М.: Издательство стандартов, 1987. - 17 с.

10. ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения. М.: Издательство стандартов, 1997. - 15 с.

11. Надёжность электрорадиоизделий. Справочник, МО РФ, 2006. 641 с.

Размещено на Allbest.ru