6.3 Устойчивость функционирования системы при действии поражающих факторов

На работу предприятия и разрабатываемой системы могут оказать влияние следующие поражающие факторы: ударная волна, световое излучение, проникающая радиация и электромагнитный импульс.

6.3.1. Воздействие ударной волны. Действие ударной волны на элементы объекта характеризуется сложным комплексом нагрузок (давление отражения, давление обтекания, давление затекания и другое) и вызывает наибольшие людские потери и разрушения элементов объекта.

Величина нагрузок зависит от вида и мощности взрыва, расстояния до объекта, конструкции и размеров сооружений, аппаратов и приборов, их ориентации относительно направления взрыва, характера и плотности застройки. Учесть их в совокупности для каждого объекта затруднительно. Поэтому при определении уязвимости объекта пользуются обобщённой характеристикой - величиной избыточного давления на фронте ударной волны. Избыточное давление Р_ф = = 0,35 кг/см² и более приводит к выходу из строя различные радиоэлектронные приборы.

Для разрабатываемой системы регулирования, в конструкцию которой входят устройства, содержащие весьма чувствительные радиоэлектронные элементы, опасными будут большие ускорения, приобретаемые этими элементами при воздействии ударной волны, то есть, необходима оценка устойчивости прибора к инерционным разрушениям.

Необходимость защиты прибора от воздействия ударной волны в определённой системе (производственное здание, сооружение, оборудование) зависит от устойчивости системы.

Для защиты от ударной волны, точнее от её скоростного напора, разрабатываемую систему необходимо ставить на виброносители с дополнительным креплением от горизонтальных перемещений. Кроме этого система должна быть предохранена от обломков конструкций здания, осколков стекла путём установки над ней специального защитного устройства типа навеса, козырька или металлической сетки. А для того чтобы повысить устойчивость здания к ударной волне необходимо сделать контрфорсы, подкосы, дополнительные рамные конструкции, кабельную электросеть и воздуховоды проложить под землёй.

6.3.2. Воздействие светового излучения. Световое излучение – вид лучистой энергии, источником которой является светящаяся область взрыва.

Величина светового излучения характеризуется количеством энергии излучения, приходящейся на единицу освещаемой поверхности за всё время свечения, и измеряется световым импульсом в кал/см². Световое излучение вызывает непосредственное поражение людей и является причиной пожаров, которые, в свою очередь, являются одной из основных причин вывода из строя объектов.

Так как разрабатываемая система будет эксплуатироваться в здании, то световое излучение непосредственно не повлияет на её работоспособность. Работоспособность системы может быть нарушена только в том случае, если произойдёт возгорание помещения в результате сильного светового излучения.

В случае непосредственного воздействия, световое излучение может существенно изменить физические свойства материалов и элементов аппаратуры. Такие материалы, как оргстекло, полиэтилен, тефлон, изоляционные покрытия кабелей и другие материалы при воздействии светового импульса 60-70 кал/см² будут оплавляться и темнеть, при больших импульсах некоторые из них могут воспламеняться. Считается, что при воздействии светового импульса 100 кал/см² могут происходить отказы радиоэлектронной аппаратуры.

Для надёжной защиты от светового излучения приборы с чувствительным к нему элементами следует устанавливать на экранируемых стенами местах, защищать их специальными экранами, окрашиваемыми в светлые тона для лучшего отражения светового излучения, при возможности покрывать уязвимые элементы огнезащитными красками.

6.3.3. Воздействие проникающей радиации. Ввиду малой проникающей способности альфа- и бета-частиц их воздействиями на радиоэлектронную аппаратуру обычно пренебрегают.

Из данных по стойкости элементов и радиоэлектронных устройств в условиях воздействия гамма- и нейтронного излучения следует, что аппаратура может давать отказы при потоках нейтронов 10¹⁶ - 10¹⁷ нейтронов на квадратный метр (н/м²) и экспозиционной дозе гамма-излучения 10⁵ рад и более. Изменение параметров элементов и аппаратуры происходит и при меньших значениях потоков радиации.

На основании сравнительной оценки воздействия поражающих факторов на уровне моря и в космосе установлено, что радиоэлектронная аппаратура может подвергаться воздействию следующих уровней проникающей радиации:

- экспозиционная, доза гамма-излучения 10¹ – 10⁶ р при длительности импульса 10^-3 - 10^-8с;

- поток нейтронов 10¹⁵ - 10²⁰ н/м² при длительности импульса 10^-1 – 10^-6 с.

При воздушных и наземных взрывах плотности потоков проникающей радиации на тех расстояниях, где ударная волна не выводит из строя радиоэлектронную аппаратуру, в основном являются безопасными. Но с увеличением высоты взрыва всё большее значение приобретает проникающая радиация. При взрывах на больших высотах основным поражающим фактором становится импульс проникающей радиации. Поэтому расчёт на радиационную стойкость системы проводить нет необходимости. В этом случае расчёт коэффициента защиты системы проводится по экспозиционной дозе гамма-излучения.

Наиболее слабым элементом системы являются диэлектрические материалы, поэтому необходимый коэффициент ослабления гамма-излучения будет определяться следующим образом:

Косл = 10⁶рад / 10⁴рад = 100 (98)

где 10⁶рад – критериальная поглощённая доза гамма-излучений;

10⁴рад – поглощённая доза гамма-излучений, которую выдерживают диэлектрические материалы.

Так как в системе работают различные приборы, то защита отдельного прибора будет складываться из защиты всей системы (производственного здания) и собственной защиты элемента (корпуса прибора), то есть общий коэффициент защиты будет иметь вид:

Кзащ = Кзащ1·Кзащ2 (99)

где К_защ1 – коэффициент защиты системы (производственного здания);

К_защ2 – коэффициент защиты элемента.

Для производственного одноэтажного здания К_защ1 = 5.

Коэффициент защиты элемента определим по следующей формуле:

Кзащ2 = 2 h/ d_пол (100)

где h – толщина материала, см;

d – слой половинного ослабления данного материала, см.

Для радиоактивного заражения:

d_пол = 13/ (101)

где  – плотность материала, г/см³.

Так как корпуса приборов, используемых в системе, изготавливаются из стали, то:

 = 7,8 г/см³

Тогда:

d_пол = 13/7,8 = 1,7

Отсюда следует, что:

К_защ2 = 2 ^{0,5/ 1,7} = 1,226

Кзащ = 5·1,226 = 6,13

Полученный фактический коэффициент защиты системы сравним с необходимым коэффициентом ослабления гамма-излучения:

К_защ < К_осл

В результате сравнения мы получаем, что фактический коэффициент защиты системы значительно меньше требуемого коэффициента ослабления, поэтому надо предусмотреть дополнительные меры защиты. Для защиты можно применить замену самого чувствительного элемента приборов системы менее чувствительным или изменить схему системы. Но такие меры защиты в данном случае не целесообразны. Для защиты приборов системы применим пассивный экран из свинца (d_пол = 1,2), который будет обеспечивать следующий коэффициент защиты:

Кзащ экр. = Косл / Кзащ = 100 /6,13 = 16,3

Толщину экрана определим с помощью следующей формулы:

К_{защ экр.} = 2 ^{h /dпол}

Прологарифмируем данное выражение и выразим отсюда h:

lg Кзащ экр. = (h /dпол)·lg 2

h = (dпол / lg 2) ·lg Кзащ экр_.

h = (1,2/ 0,3) ·1,21 = 4,8 (см)

Таким образом, мы получаем, что толщина свинцового экрана должна быть 4,8 см. Эта величина велика и неудобна для применения в производственных условиях. В этом случае может быть рекомендовано отключение электрооборудования установки на время действия радиации с последующей заменой повреждённых элементов.

6.3.4. Воздействие электромагнитного импульса. Электромагнитный импульс представляет собой электрические и магнитные поля, возникающие в результате воздействия гамма-излучения на атомы окружающей среды и образования потока электронов и положительных ионов. Продолжительность его действия составляет несколько десятков миллисекунд.

Наведённый в проводах электромагнитный импульс может распространяться на большие расстояния и вызывать изменения электрических характеристик электронных проборов. При отсутствии специальных мер защиты электромагнитный импульс может вызвать повреждение радиоэлектронной аппаратуры и нарушения работы электрических устройств. Особенно подвержены воздействию электромагнитного импульса полупроводниковые, газоразрядные, вакуумные приборы, а также конденсаторы и сопротивления.

Защитой аппаратуры от электромагнитного импульса служат специальные автоматические устройства, подобные применяемым для защиты от грозовых разрядов.

Главная задача защитных устройств от электромагнитного импульса - исключить доступ наведённых токов к чувствительным узлам и элементам защищаемого оборудования. Проблема защиты от электромагнитного импульса усложняется тем, что импульс протекает примерно в пятьдесят раз быстрее, чем, например, разряд молнии, и поэтому простые газовые разрядники в данном случае малоэффективны.

К методам защиты наиболее приемлемым для защиты разрабатываемой системы относятся следующие методы:

- металлические экраны. Они отражают электромагнитные волны и гасят высокочастотную энергию. Наиболее дешёвый экранирующий материал - холоднокатаные стальные листы;

- защита кабелей. Кабели помещаются в металлические оплётки или трубки;

- защитные разрядники и плавкие предохранители.

Основные функции защитного разрядника и плавкого предохранителя – разомкнуть линию или отвести энергию для предотвращения повреждения в защищаемом оборудовании.

Существует много других методов защиты радиоэлектронной аппаратуры, но в каждом конкретном случае должны быть найдены наиболее эффективные и экономически целесообразные методы защиты электронной аппаратуры и крупных разветвлений электронных систем.