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]: