книги из ГПНТБ / Дружинин Г.В. Надежность электрических схем авиационных систем

В установившемся режиме количество тепла, проходящего через про­ водник в единицу времени,

L ’

водника).

Для повышения эффективности теплопередачи проводимостью следует применять металлы с высоким коэффициентом теплопровод­ ности. Эти металлы должны обладать также и другими необходи­ мыми конструктивными и технологическими свойствами. Из техни­ ческих металлов наивысшими коэффициентами теплопроводности обладают медь, алюминий и некоторые его сплавы, сплавы магния и т. д. В справочниках по металлам обычно имеются таблицы тепло­ проводности.

В соответствии с формулой (2.2) для теплопередачи проводи­ мостью целесообразно применять короткие, прямолинейные, посто­ янного сечения массивные проводники из металлов высокой прово­ димости. Так как к авиационным конструкциям предъявляются жест­ кие требования в отношении веса и объема, то необходимостремить­ ся к уменьшению пути прохождения тепла от источника до пункта поглощения тепла. Этот путь можно сократить, например, располо­ жив термически активные элементы в непосредственной близости от оболочки блока.

Эффективность теплопередачи проводимостью может резко сни­ зиться за счет отрицательного влияния уменьшения полезного сече­ ния проводника в механических соединениях па пути потока тепла. Можно провести далеко идущие аналогии между термическим сопро­ тивлением контактов и их электрическим сопротивлением.

Для увеличения полезного сечения в механическом соединении проводят целый ряд мероприятий, к которым относятся: тщательная обработка сопрягаемых поверхностей, высокие контактные давления, применение мягких медных или алюминиевых прокладок при грубой обработке поверхностей контактов и т. п. В термическом отношении наиболее желательны соединения на сварке, твердой или мягкой пайке, так как в этих соединениях тепло проводится по всей пло­ щади контакта.

60.

Конвекцией называется отвод тепла из однбго места в другое путем перемещения нагретых частиц вещества окружающей среды. Различают два вида конвекции: свободную (естественную) и прину­ дительную. При свободной конвекции циркуляция охлаждающего агента (следовательно, и перенос тепла) осуществляется под влия­ нием силы тяжести, возникающей вследствие разности плотностей охладителя вблизи поверхности источника тепла и вдали от нее. При принудительной конвекции циркуляция охладителя вызывается насосами или вентиляторами. Обычно охладителем является воздух. Иногда применяются жидкостные и парофазные охладители.

При теплопередаче конвекцией количество тепла Q, передавае­ мое между поверхностью источника тепла и охлаждающим агентом, пропорционально коэффициенту конвекции h, площади поверхно­ сти С и средней разности температур ЛТ:

Входящий в формулу (2.3) коэффициент конвекции h является функцией многих факторов: плотности охладителя, его вязкости, проводимости, удельной теплоемкости, геометрической формы нагре­ ваемых поверхностей и их расположения, скорости потока охлади­ теля в случае принудительной конвекции и т. д. Поэтому аналити­ ческий расчет обычно очень сложен и редко бывает точным. В любом случае расчет основывается на эмпирических данных.

Охлаждение свободной конвекцией применимо для невысотных приборов с умеренными уровнями рассеяния. Существует эмпириче­ ское правило, согласно которому принудительного воздушного охлаждения не требуется, пока тепловой поток (полная мощность рассеяния, поделенная на общую площадь поверхности корпуса) не превышает 0,04 л- 0,08 вт/см2. Верхний предел относится к хорошо вентилируемым блокам с хорошей проводимостью, нижний предел — к невентилируемым обычным блокам. Естественное охлаждение блока осуществляется лучше всего при отсутствии оболочки (короб­ ки). Всегда желательны отверстия, сетки и прорези на оболочке. Если необходима герметизация блока, то свободная конвекция ста­ новится малоэффективной, так как необходимо последовательно совершить три конвекционных передачи. Сначала тепло передается от элемента воздуху внутри коробки, проводится через оболочку коробки, затем передается от оболочки окружающей среде. Поэтому в герметизированных блоках большое значение имеет отвод тепла на внешнюю оболочку за счет теплопроводности, для чего гермети­ зированные объемы иногда заполняются маслом, водородом или гелием. При использовании гелия нужно учитывать, что он проникает через стекло.

Применение принудительной конвекции позволяет отводить зна­ чительное количество тепла. Эффективность принудительной кон­ векции растет с увеличением скорости движения охладителя. Для прохождения охладителя с большой скоростью через аппаратуру, трубки и теплообменник нужны относительно мощные нагнетатели. Поэтому большое значение имеет геометрическая форма пути

61,

охладителя по аппаратуре. Этот путь должен иметь минимальное сопротивление и вместе с тем обеспечивать равномерное охлаждение всех элементов.

При излучении тепловая энергия нагретого тела превращается в лучистую энергию, которая передается через пространство ко вто­ рому телу, где опять переходит в тепло.

В общем случае количество тепла, передаваемое излучением от одной поверхности к другой, определяется выражением:

где Fi — коэффициент, зависящий от геометрии и взаимного рас­

трудно достижимо, то увеличение количества отводимого излучением тепла достигается увеличением FH2 • F).

Необходимо, в частности, создать такую конфигурацию излу­ чающих и принимающих тел, чтобы тело, принимающее излучение, поглощало бы возможно больше тепла и возможно меньше его отражало. Большое значение имеет также взаимное расположение источника и поглотителя тепла.

Повышение коэффициента F-, может быть достигнуто использо­ ванием материалов с большой теплоотдачей и поглощением тепла. Например, излучение тепла полированным алюминием при темпера­ турах 20 л- 200°С в 15 раз хуже, чем оксидированной сталью. Коэф­ фициенты излучения многих технических материалов при низких температурах могут быть значительно (в 10 раз) повышены путем отделки поверхностей материалами с высокой излучаемостью. Например, большинство отделочных красок, независимо от цвета, обладает высоким коэффициентом излучения, равным 0,8 л - 0,95 (при 20 л-200°С). Весьма эффективны также различные химические и электрохимические способы обработки поверхностей. К материа­ лам с низкой излучающей и поглощающей способностью относятся металлические поверхности с холодной обработкой.

На рис. 2.8 приведены диапазоны температур некоторых терми­ чески активных элементов электронной аппаратуры с воздушным охлаждением (на уровне моря).

Обычно теплопередача осуществляется всеми тремя рассмотрен­ ными способами одновременно, но один из способов передачи тепла имеет при этом основное значение.

Решение проблемы отвода тепла можно разбить па два этапа. • На первом этапе тепло от термически активных элементов передается в контролируемый теплопровод. Второй этап состоит во внешнем теплоотводе. Охлаждение аппаратуры на первом этапе отвода тепла

62

чаще всего достигается использованием теплопроводности металлов. Охлаждение излучением не может быть рекомендовано в качестве основного средства охлаждения, поскольку для значительной тепло­ отдачи требуется большая разность температур. Кроме того, излучае­ мое тепло может нагревать близко расположенные элементы аппа­ ратуры. Охлаждение при помощи конвекции также затрудняет защиту чувствительных к теплу элементов и требует значительных площадей. Па втором этапе удаления тепла используется свободная конвекция, принудительная кон­

где ЛГ,, — разность температур охлаждающего воздуха па входе и

потока. При ламинарном обтекании горячего тела скорости потока распределены по параболе (у стенок скорость мала) и около горячей поверхности образуется застойный слой. Поэтому к. п. д. тепло­ обмена при ламинарных потоках мал и для систем охлаждения электронного оборудования лежит в пределах 2 -5- 20%. Поэтому системы охлаждения с ламинарным обтеканием нецелесообразно применять на больших высотах, где мало воздуха. При охлаждении турбулентным воздухом характер обтекания резко меняется, толщина

63

застойного слоя уменьшается и к. п. д. теплообмена достигает 70— 95%, вследствие чего для охлаждения аппаратуры требуется мини­ мальное количество воздуха.

Аналогичные суждения можно высказать и в отношении жидко­ стного охлаждения. Принудительное жидкостное охлаждение нахо­ дит применение при высокой температуре окружающей среды и большой концентрации тепла, а также при расположении теплопоглотителя на некотором расстоянии от аппаратуры. Оно может быть непосредственным или косвенным. Непосредственное жидкост­ ное охлаждение может применяться лишь в аппаратуре, которая допускает увеличение паразитной емкости и электрических потерь за счет заполнения блока жидкостью. Этот вид охлаждения наиболее пригоден для источника питания, модуляторов, сервоусилителей и усилителей низкой частоты.

Схема непосредственного принудительного жидкостного охлаж­ дения приведена на рис. 2.9, где обозначено: 1 — блок, заполненный жидкостью; 2 — перегородки; 3 — охладитель; 4 — компенсатор;

Р и с . 2.9. Схема непосредственного принудительного жидкостного охлаждения.

Ваппаратуре с непосредственным жидкостным охлаждением трудно осуществлять ремонт, так как каждый раз приходится выли­ вать охлаждающую жидкость. Большие преимущества в этом отно­ шении имеет косвенное жидкостное охлаждение, которое обычно выполняется в виде холодного шасси, к которому крепятся блоки (рис. 2.10). На рис. 2.10 обозначено: 1 — трубки для охладителя; 2 — шасси, охлаждаемое жидкостью; 3 — блоки, рассчитанные на охлаждение путем передачи тепла ' холодной плате. Этот способ является наиболее удобным из известных способов охлаждения.

Ваппаратуре с очень большой концентрацией тепла или при отсутствии теплопоглотителей может применяться охлаждение испа­

64

пополнения охлаждающей жидкости и наличия объема для пара. Системы охлаждения без расхода жидкости должны иметь тепло­ обменник для конденсации пара и являются довольно сложными.

При создании системы охлаждения необходимо все время пом­ нить ее назначение — повышение надежности аппаратуры. Поэтому сама система охлаждения должна быть гораздо более надежна, чем охлаждаемая система.

Р и с . 2.10. Косвенное жидкостное охлаждение («холодное шасси»).

§ 2.4. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СИСТЕМ

Мероприятия по повышению надежности могут быть проведены в трех областях: при проектировании, при производстве и при эксплуатации аппаратуры.

Обычно стоимость эксплуатации аппаратуры значительно пре­ вышает стоимость самкой аппаратуры. В иностранной печати часто встречаются утверждения, что стоимость эксплуатации радиоэлек­ тронной аппаратуры в Ю т 100 раз больше стоимости ее разработки и изготовления. Вполне понятно, что выгоднее затратить значитель­ ные усилия на создание надежных устройств, чем пытаться поддер­ живать работоспособность уже изготовленной недостаточно падеж­ ной аппаратуры. Тем не менее, и в области эксплуатации могут быть приведены очень важные мероприятия по повышению надежности аппаратуры. Кроме того, ряд мероприятий по повышению надежно­ сти аппаратуры при проектировании и производстве ее может быть осуществлен лишь на основе эксплуатационных данных.

Введем д^я удобства изложения материала изображенную на рис. 2.11 классификацию различных мероприятий по повышению надежности аппаратуры. Следует сразу отметить, что приведенное на рис. 2.11 деление на группы мероприятий по повышению надеж­ ности является условным. Между различными путями повышения надежности существуют взаимные связи и зависимости.

Повышения надежности систем при их проектировании можно добиться как схемными, так и конструктивными методами.

Схемные методы объединяют мероприятия по повышению надежности систем путем совершенствования их принципиальных

схем. В настоящее время можно выделить три направления совер­ шенствования схем:

1.Создание возможно более простых схем.

2.' Создание схем с ограниченными последствиями отказов.

3.Резервирование элементов и систем.

Схемные методы, в особенности резервирование, относятся к числу наиболее важных и перспективных. Этому способствуют два обстоятельства: во-первых, когда конструктор приступает к проек­ тированию какой-либо системы, то он вынужден использовать те детали, которые может изготовлять промышленность. В ряде случаев

Р и с . 2.11. Группы мероприятий по повышению надежности аппаратуры.

возможности конструктора ограничены также исторически сложив­ шимся уровнем развития производства. Кроме того, ввиду наличия ряда лимитирующих факторов (вес, объем, стоимости и т. д.) кон­ структор часто бывает вынужден применять далеко не лучшие, с точ­ ки зрения надежности, элементы. Поэтому поиски способов получе­ ния надежных схем из ненадежных элементов — одна из наиболее важных задач проблемы надежности. Во-вторых, схемные методы, в отличие от подавляющего большинства других методов повышения надежности, не требуют проведения крупных организационно-техни­ ческих мероприятий и перестройки производства, для осуществления которых нужно довольно значительное время. Поэтому схемные методы дают возможность в кратчайший срок повысить надежность

66

многих систем. Вместе с тем следует отметить, что схемные методы повышения надежности систем начали разрабатываться недавно и поэтому применяются еще недостаточно широко.

Создание возможно более простых схем относится к числу важ­ нейших и наиболее трудных вопросов проектирования систем. Соз­ дать сложную систему значительно проще, чем выполняющую те же задачи простую систему. Простота решения задачи характеризует эрудицию, талант и опыт конструктора и ученого. Значение упроще­ ния схем определяется тем фактом, что одной из причин возникнове­ ния проблемы надежности является сложность схем современных систем. При этом следует, конечно, иметь в виду, что речь идет о рациональном уменьшении числа элементов в системе, без ущерба для ее характеристик и функционирования. Для релейно-контактных схем существует основанная на алгебре логики теория г9], позволяю­ щая проектировать сложные системы с минимально необходимым числом релейно-контактных элементов. Уменьшение сложности систем является единственным способом, при котором увеличению надежности сопутствует уменьшение веса и объема системы. Однако технические требования к системе часто обусловливают некоторое минимальное число деталей. Что касается очень сложных систем, то снижение сложности до минимума не может полностью решить проб­ лему надежности.

Создание схем с ограниченными последствиями отказов имеет большое значение для авиационных систем ответственного назначе­ ния. Отказы таких систем делятся на две группы:

1) отказы с опасными последствиями, к числу которых относятся срывы летного задания и летные происшествия: вынужденные посад­ ки, аварии, катастрофы;

2) отказы без опасных последствий. Схемы выполняющих ответ­ ственные функции авиационных систем желательно составлять таким образом, чтобы исключить возможность появления отказов с опас­ ными последствиями. При этом стремятся уменьшить значение появ­ ления отказа системы, а не вероятность его появления.

В системах автоматики появление опасного последствия обычно связано с определенными недопустимыми законами движения регу­ лирующего органа [21]. Так, например, для регуляторов режима работы различных авиационных двигателей одним из таких законов движения будет самопроизвольное перемещение регулирующего органа в одно из крайних положений. В результате такого переме­ щения регулирующего органа происходят перенаддувы и аварии турбокомпрессорных авиадвигателей, аварии ‘авиадвигателей из-за нарушения температурного режима, аварии и катастрофы самолетов

систем. Поэтому при составлении схем регулятора необходимо стре­ миться к созданию схем, не допускающих появления опасных послед­ ствий при отказах элементов и участков схемы. Возможность осуще­ ствления таких схем можно показать на примере нескольких про­

стейших схем регуляторов. Например, для схемы рис. 2.12 повреж­ дение цепей на участках I—И, II— III, Ш —IV, IV—I может приве­ сти к опасному последствию из-за разбаланса моста и подачи на исполнительный механизм ложного сигнала, а повреждение на уча­

повышения надежности элемен­ тов и систем. Вплоть до последнего времени системы электроавтома­ тики и радиоэлектроники строились таким образом, что выход из строя одного элемента вел к отказу всей системы. По мере усложне­ ния схем стало ощущаться несовершенство такого способа их пост­ роения. Поэтому все чаще находит применение резервирование — путь повышения надежности за счет рационального применения избыточных элементов и систем.

Несмотря на малую надежность отдельных клеток животных и растений, живые организмы успешно существуют в довольно труд­ ных условиях. Повреждение целых групп клеток далеко не всегда вызывает прекращение жизнедеятельности организма. Существую­ щие при этом закономерности с точки зрения инженера изучены недостаточно и использовать их при конструировании технических систем пока нельзя.

Следует отметить, что последнее время инженеры все чаще пыта­ ются проводить аналогии между живыми организмами и машинами с целью нахождения оптимальных схемных решений. Эти попытки отражают стремление использовать комбинации, которые оказались

68

устойчивыми в.результате естественного отбора в течение миллионов лет. Часто такие комбинации человечество использовало интуитивно. Примером может служить использование каната, созданного по ана­ логии со строением деревьев, лиан и т. п., в противовес цепи, не имеющей аналога в природе. Канат, состоящий из многих параллель­ ных волокон, продолжает выполнять свои функции при повреждении многих из них. -В цепи, состоящей из последовательно соединенных звеньев, достаточно разрушить одно звено, чтобы вся цепь распалась. Этот пример показывает, что изучение и обобщение композиций, ока­ завшихся устойчивыми при естественном отборе, может быть очень полезным для создания надежных устройств. Поэтому попытки инженерного осмысливания биологических связей могут в будущем оказать благотворное влияние на прогресс науки и техники.

Благодаря применению резервирования, можно создать очень надежные системы и элементы. Возможности использования этого пути повышения надежности ограничиваются в основном недоста­ точной теоретической разработкой ряда вопросов резервирования. Кроме того, для авиационных систем ограничивающими факторами иногда являются вес и объем системы, которые увеличиваются при применении избыточных элементов. Однако в связи со все более широким распространением малогабаритных полупроводниковых приборов и сверхминиатюрных деталей появляется реальная воз­ можность широкого применения резервированных систем и в авиа­ ционной аппаратуре. В простейшей своей форме (дублирование систем) резервирование давно уже применяется в различных обла­ стях техники.

Необходимость широкого применения резервирования можно показать следующим образом. Пусть необходимо создать систему из

По статистическим данным известно, что даже у наиболее надежно работающих современных деталей (конденсаторов и сопротивлений), находящихся в благоприятных условиях работы, интенсивность выхода из строя в сотни и тысячи раз выше. Еще большая разница между требуемой и имеющейся надежностью элементов будет в си­ стемах, работающих в жестких режимах (например, оборудование ракет). Требования к надежности элементов все время повышаются из-за продолжающегося роста сложности схем современных систем. Так как снизить интенсивность выхода из строя элементов в тысячи раз, путем применения конструктивных и производственных меро­ приятий, в короткий срок чрезвычайно трудно, то поневоле придется прибегнуть к резервированию. Ввиду важности вопросов резервиро­ вания этот путь повышения надежности более подробно будет рас­ смотрен в гл. III.

69