· 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.