Расчет надежности блока (стр. 4 )

("13") Для упрощения расчета зададимся массой ленточных кабелей и соединительных проводов -

Определим массу заливочного пенопласта. Для выполнения условия вибропрочности конструкции блок заливают пенопластом ПЭ-9 (плотность пенопласта ПЭ-9 [10]). Пенопласт заливают в блок с объемом . Объем заливочного пенопласта можно определить как , где - объем, занимаемый внутриблочными конструкциями - деталями ФЯ, ПП, втулками, бобышками и т. д. Приблизительно, можно определить, как

где - площадь шестигранника (бобышки);

- площадь втулки (вычисленная по внешнему диаметру );

Так как все ФЯ одинаковы по габаритам, то

где - длина ребра бобышки;

- количество ребер;

- угол шестигранника;

Тогда массу заливочного пенопласта можно найти как:

Определим массу корпуса блока. Конструктивно корпус выполнен из двух частей:

О-образной обечайки (сплав АМц1,5; толщина) и основания (сплав АМц3; толщина ). Примем, что [9];

Тогда

("14") Определим суммарную массу блока:

Оценим коэффициент дезинтеграции по массе разработанной конструкции блока:

, где - суммарная масса элементов блока;

Определим массу суммарную элементов блока:

В разделе "Проверка возможности выполнения требований ТЗ для выбранной элементной базы" был получена расчетная масса блока - .

Оценим коэффициент дезинтеграции по расчетной массе блока :

Оценим плотность разработанной конструкции блока:

В разделе "Проверка возможности выполнения требований ТЗ для выбранной элементной базы" для расчета объема блока использовалась плотность конструкции

Согласно требованиям ТЗ масса блока не должна превышать 0,6 кг, блок должен иметь габаритные размеры 120х120х40мм, которые соответствуют объему:

Сравним значения массы и объема разработанной конструкции со значениями, требуемыми в ТЗ:

Как видно из сравнения величин, требования ТЗ по массогабаритным характеристикам, выполняются, следовательно, разработанная конструкция блока соответствует требованиям ТЗ.

("15") Для оценки эффективности разработанной конструкции необходимо сравнить удельные показатели качества конструкции, такие как коэффициент дезинтеграции по массе, объему, плотность упаковки элементов в объеме. Для наглядного сравнения этих показателей сведем их в таблицу 6.2.

Таблица 6. 2.

Удельные показатели качества конструкции блока коммутатора КМ1

Стадии проектирования:
Стадия предварительной оценки выполнения требований ТЗ	3,809	5,041	1,07
Разработанная конструкция блока	4,791	5,748	0,97

Сравнение этих показателей позволяет утверждать следующее:

Для выполнения требований ТЗ по габаритам блока (которые жестко заданы), обеспечения нормального теплового режима, вибропрочности блока, а также в результате использования ФЯ с одинаковыми размерами первоначальный расчетный объем блока был увеличен до размеров, заданных в ТЗ. Увеличение коэффициента дезинтеграции по объему в первую очередь связанно с использованием книжной схемы компоновки ФЯ. При этом габаритные размеры ФЯ для упрощения конструкции выполнялись одинаковыми, за основу был взят габаритный размер 1ФЯ, которая выпускается серийно и, поэтому, была представлена в виде "черного ящика" с известными массогабаритными характеристиками.

Использование в конструкции блока ФЯ со сложной структурой (печатные платы клеятся на деталь основания ФЯ через защитную прокладку для обеспечения надежной электрической изоляции при воздействии вибрации), использование установочных бобышек из-стали и заливка блока пенопластом для увеличения вибропрочности привело к увеличению коэффициента дезинтеграции по массе. Однако это увеличение незначительно, так как в качестве материала корпуса, деталей ФЯ, втулок были применены алюминиевые сплавы с малой плотностью.

Полученная плотность упаковки является приемлемой для ракетно-космической аппаратуры. Для конструкций подобного типа . Несмотря на то, что разработанная конструкция блока относится к "плавающей РЭА" (), можно отметить, что конструкция является хорошо скомпонованной. Уменьшение плотности упаковки объясняется сложностью разводки печатных плат ФЯ (из каждой МСБ выводятся 27 цепей).

В разделе "Разработка конструкции МСБ" были получены следующие показатели качества разработанной конструкции МСБ:,,. Эти показатели качества свидетельствуют о приемлемой плотности элементов, компонентов и проводников в МСБ. Использование ИМС с гибкими выводами позволило минимизировать количество пересечений (до 5-ти), что позволило обеспечить приемлемую интенсивность отказов МСБ .

ВЫВОДЫ ПО КОНСТРУКТОРСКОЙ ЧАСТИ:

В конструкторской части дипломного проекта была разработана конструкция блока коммутатора КМ1, являющегося частью телеметрической системы измерений уровней вибрации в жилом отсеке управляемого космического аппарата. Блок КМ1 обладает лучшими функциональными и массогабаритными характеристиками по сравнению с аналогом - блоком ТМ16. Для наглядного сравнения сведем основные функциональные и массогабаритные параметры разработанного блока и аналога в таблицу 6.3.

("16") Таблица 6.3.

Функционально-технические характеристики аналога и разработанного блока

Функционально-технические характеристики	Единица измерения	Уровень функционально-технических характеристик
		ТМ16	КМ1
Масса	кг	2	0,558
Объем	Л	1,976	0,576
Количество команд управления	шт.	2	3
Частота коммутации	кГц	0,1	100
Потребляемая мощность	Вт	6	3,24

("17") Уменьшение массы и объема разработанного блока в 3,5 раза объясняется заменой основных коммутирующих элементов блока ТМ16 - реле на цифровые управляемые коммутаторы аналоговых сигналов, реализованные в виде тонкопленочных МСБ частного применения. При этом показатели качества разработанной МСБ ,, свидетельствуют о приемлемой плотности элементов, компонентов и проводников МСБ, а интенсивность отказов разработанной МСБ является типичной, для тонкопленочных МСБ.

Существующие специализированные коммутаторы (которые обладают еще большими плотностями упаковки и являются альтернативой МСБ частного применения) позволяют еще больше снизить массу блока, однако использование МСБ в нашем случае является более оптимальным. Использование МСБ с шириной проводника 250 мкм позволило уйти от проблемы "мягких сбоев" (которая является одной из основных проблем в ракетно-космической аппаратуры), так как она, как правило проявляется при использовании ИС и МСБ с большой плотностью упаковки, выполненными по 10-ти микронной технологии и менее. Заданные в ТЗ условия эксплуатации блока (диапазон рабочих температур -50°С...+50°С, вибрации в диапазоне от 3 до 2500 Гц с ускорением до 5g, линейные нагрузки до 15g) недостижимы для большего числа специализированных коммутаторов, а для МСБ, они являются рабочими. Поэтому, в нашем случае использование в конструкции блока МСБ частного применения с вышеприведенными показателями качества является более оптимальным.

Снижение потребляемой мощности и увеличение частоты коммутации объясняется использованием в МСБ в качестве основного коммутирующего элемента ИМС 765КП1-1, выполненной на КМОП-транзисторах. Кроме того, это позволило увеличить количество команд управления, что позволяет коммутировать большее число усилителей. Помимо увеличения быстродействи использование серии КМОП позволило увеличить помехоустойчивость блока, а также использовать напряжение питания +15В для питания модулей М4 (что упростило конструкцию блока за счет использования стандартного блока питания). Использование серии КМОП также привело к уменьшению теплового потока блока и как следствие привело к уменьшению массы и упрощению конструкции блока за счет отказа от тепловых шин и теплоотводов под МСБ.

В результате расчета теплового режима конструкции блока был получен запас Δt=25...30°C по допустимому перегреву элементов, что является хорошим показателем для ракетно-космической аппаратуры (обычно запас по перегреву для подобного рода аппаратуры составляет порядка 10...15°С).

В расчете вибропрочности конструкции блока на примере ЗФЯ было показано, что условия вибропрочности конструкции не выполняются и было подтверждено решение о заливке блока пенопластом для обеспечения вибропрочности, принятое в разделе "Анализ ТЗ".

В результате расчета надежности блока была получена средняя наработка до отказа 13364 час, что в 66 раз превышает наработку на отказ, заданную в Т3(200 час). Кроме того, была получена вероятность безотказной работы 0,9998, что отвечает требованиям, предъявляемым к надежности ракетно-космической аппаратуры(0,999).

При разработке блока КМ1 техническим заданием была поставлена задача коммутирования четырех пар усилителей в четыре отличных друг от друга диапазона. Данная задача была выполнена за счет использования четырех коммутирующих модулей М4. Каждый модуль М4 осуществляет одновременную коммутацию двух усилителей в один и тот же диапазон. Использование в схеме модулей М4 ИМС 765КП1-1 предоставляет возможность для последующей модернизации блока - микросхемы 765КП1-1 позволяют осуществить независимую коммутацию двух усилителей в два различных диапазона. Это означает, что блок КМ1 может по командам K1, K2, КЗ коммутировать восемь, а не четыре пары усилителей, тем самым позволяя контролировать уровни вибрации в отсеке не в четырех, а в восьми точках. Кроме того, использование ИМС 765КП1-1 позволяет повысить частоту коммутации усилителей с 0,1кГц до 1 МГц, тем самым позволяя более оперативно контролировать вибрации на борту космического аппарата.

Стоит отметить, что в случае подключения блока КМ1 к бортовой ЭВМ (вместо кроссировочной заглушки на разъеме Х2 к блоку подключается бортовая ЭВМ и обмен происходит в двоичном коде), можно программно управлять соответствием команд K1, K2, К3 , поступающих с Земли, и диапазонов коэффициентов усиления усилителей. Это означает, что с Земли, как и с борта космического аппарата (при наличии в бортовой ЭВМ специальных высокоскоростных, анализирующих программ) в процессе полета можно выставлять требуемый коэффициент усиления на требуемый усилитель в любой точке траектории полета, что в свою очередь позволяет оперативно получать информацию и в нормальном режиме полета и в случае возникновения внештатных ситуаций на борту.

Помимо ракетно-космической области, коммутатор аналоговых сигналов с цифровым управлением может получить широкое распространение в области народного хозяйства - благодаря его универсальности применения он может работать как в составе телеметрических систем, так и в составе систем телеуправления в качестве управляемого коммутатора.

Коммутатор может применяться в составе системы телеметрии при проведении испытаний транспортных объектов, например, при испытании новых марок автомашин, когда вместо водителя помещается манекен, и стоит задача получения уровней вибрации с датчиков, установленных в салоне. В составе системы телеуправления коммутатор может применяться для обеспечения безопасности движения скоростных поездов, электричек, метро, где в случае возникновения чрезвычайных ситуаций (травм машинистов, загорания подвижного состава, влияния человеческого фактора) возникает необходимость в дистанционном управлении состава из центра управления движением.

preview_end()