Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

тепловой механический вычислительный космический

Выпускная квалифицированная работа посвящена исследованию тепловых и механических воздействий на внешний вычислительный блок космического аппарата. Для проведения моделирования этих воздействий были изучены математические методы компьютерного расчета, а также виды защиты аппаратуры от их негативного влияния. Анализ полученных результатов выявил необходимость внесения изменений в конструкцию блока для улучшения тепловых и механических режимов работы. Предложенные улучшения позволили модернизировать устройство и повысить его работоспособность при заданных внешних тепловых и механических воздействиях.



Abstract

The final qualified work is devoted to the study of thermal and mechanical effects on the spacecraft external computing unit. To simulate these effects, mathematical methods of computer calculation were studied, as well as the types of equipment protection from their negative impact. Analysis of the results revealed the necessity to make changes of the unit's design to improve the thermal and mechanical modes of the operation. The proposed enhancements made it possible to modernize the device and improve its performance under specified external thermal and mechanical influences.



Оглавление

• Введение
• 1. Описание объекта исследования
• 1.1 Назначение ВВБ
• 1.2 Конструкция блока
• 1.3 Факторы космической среды
• 2. Методы моделирования
• 2.1 Математические методы анализа
• 2.2 Общее уравнение
• 2.3 Граничные условия
• 2.4 Метод конечных разностей
• 2.5 Методы подобия в моделировании
• 2.6 Иерархический метод
• 2.7 Электротепловая аналогия
• 2.8 Коэффициент нагрузки
• 3. Исследование тепловых процессов
• 3.1 Теплообмен
• 3.1.1 Теплопроводность
• 3.1.2 Конвекция
• 3.1.3 Излучение
• 3.2 Способы отвода тепла
• 3.2.1 Воздушные системы
• 3.2.2 Жидкостные системы охлаждения
• 3.2.3 Испарительные системы охлаждения
• 3.2.4 Кондуктивные системы охлаждения
• 3.3 Основные элементы систем охлаждения
• 3.4 Конструкции для отвода тепла
• 4. Исследование механических воздействий
• 4.1 Механические воздействия
• 4.2 Защита от механических воздействий
• 4.3 Схемы установок виброизоляторов
• 4.4 Герметизация
• 5. Анализ нормативной литературы для выбора значений тепловых и механических воздействий
• 6. Системы моделирования
• 6.1 АСОНИКА-Т
• 6.2 АСОНИКА-ТМ
• 7. Тепловое моделирование
• 7.1 Построение модели в подсистеме АСОНИКА-Т
• 7.2 Моделирование в АСОНИКЕ-Т
• 7.3 Моделирование печатного узла в АСОНИКЕ-ТМ
• 8. Механическое моделирование
• 8.1 Гармоническая вибрация
• 8.2 Случайная вибрация
• 8.3 Одиночный удар
• 8.4 Многократный удар
• 8.5 Линейное ускорение
• 8.6 Акустический шум
• 9. Улучшения конструкции блока
• 9.1 Предлагаемые конструктивные изменения платы
• 9.2 Изменения в модели блока
• Заключение
• Список литературы
• Приложение А
• Приложение Б
• Приложение В
• Приложение Г
• Приложение Д

Введение

Обеспечение надежности электронной аппаратуры является одной из самых приоритетных задач современности в области конструирования и производства техники. Техника подразделяется на классы, к каждому из которых выставляются свои требования функционирования по ГОСТу. Класс космической аппаратуры можно отнести к особому классу, к которому приписываются дополнительные требования. В том числе, ограничения по массе и объёму, высокая безотказность работы, влияние вибрационных и линейных нагрузок. После запуска космического аппарата (КА) эти требования только возрастают, а затраты на ремонт повышаются. Искусственные спутники земли (ИСЗ) также относятся к классу космической аппаратуры, но на протяжении использования в условиях космоса не обслуживаются. Поэтому такая аппаратура должна не выходить из строя во всё время эксплуатации; работать в условиях отличных от земных, где совсем другая влажность, температура, радиация.

Все эти особенности только повышают необходимость предварительных испытаний, проведение анализов и улучшение качества конструкций. Построение виртуальных моделей, основанных на компьютерных расчетах, несколько упрощают ситуацию и позволяют рассматривать влияние тепловых и механических нагрузок на объект исследования.

Постановка цели и задач

Цель ВКР заключается в исследовании стойкости внешнего вычислительного блока, входящего в состав космического аппарата Метеор-М», на влияние тепловых и механических нагрузок. Для этого необходимо решить следующие задачи:

· Изучить какие влияния оказываются на класс космической аппаратуры;

· Исследовать существующие способы улучшения конструкции КА;

· Рассмотреть методы, которые заложены в расчеты компьютерного моделирования;

· Изучить технические документы на объект исследования;

· Построить модели блока и печатной платы в выбранном программном комплексе;

· Провести моделирование при заданных граничных условиях;

· Проанализировать результаты моделирования;

· Предложить и проверить улучшения конструкции блока.



1. Описание объекта исследования

1.1 Назначение ВВБ

Космический аппарат «Метеор-М» является гидрометеорологическим спутником, созданным на базе платформы «Ресурс-УКП». С его помощью осуществляется сбор данных о распределении и распространении различных факторов на околоземной орбите, а также получение изображений поверхности Земли. В его состав входит ряд приборов, таких как: многоканальное сканирующее устройство малого разрешения, комплекс многоканальной спутниковой съёмки, модуль температурного и влажного зондирования атмосферы, инфракрасный Фурье-спектрометр, бортовой радиолокационный комплекс, гелиогеофизический аппаратный комплекс, а также система сбора и передачи данных.

Рис. 1.1 Изображения КА «Метеор-М»

В составе системы сбора и передачи данных, как видно из рисунка 1.1, состоит антенно-фидерное устройство, с помощью которого «ВВБ» блок получает сигнал из ЦУП.

ВВБ, или же внешний вычислительный блок, является частью системы КА «Метеор-М» и служит для управления бортовой аппаратурой. Функционирование системы происходит по следующим интерфейсам: каналам МКО командами по ГОСТ Р 52070-2003, CAN и RS-485.

1.2 Конструкция блока

Блок ВВБ представляет собой конструкцию в форме параллелепипеда размерами 248мм137мм40мм, массой 1,6 кг. Материал блока: сплав алюминия Амг6 ГОСТ4784-97. Составляющие блока: крышка, основание, передняя стенка, задняя стенка, правая стенка и левая стенка. Толщина каждой из стенок составляет 3 мм. Внутри блока установлен печатный узел размерами 232мм126мм2мм, материал печатной платы СФ-35. Крепление печатной платы осуществляется с помощью восьми стальных стоек, которые проходят через весь блок, внешний диаметр стоек составляет 7,5мм. Плата помещена между основанием и крышкой блока на расстоянии 16 мм от каждой из них. Блок (Рисунки 1.2, 1.3) установлен на посадочное место, температура которого может варьироваться от 0°C до 40°C.



Рис. 1.2 Чертеж блока, верхний и боковой вид

Рис. 1.3 3D-вид блока

На печатной плате установлен 41 элемент, общая мощность тепловыделений которых составляет 5,14 Вт. Большая часть этой мощности распределена между 17-ю электрорадиоизделиями (ЭРИ), ниже в таблице 1.1 приведены их параметры.

Таблица 1.1

Параметры ЭРИ печатного узла

Обозначение по ТАИК.468369.055 ПЭ3	Наименование	Тепловыделение, Вт	Кол.	Температурный диапазон
DA1, DA2	5559ИН28У АЕЯР.431230.882ТУ	0,02	2	-60 - +125°C
DA3,DA4	5559ИН13У2 АЕЯР.431230.591ТУ	0,05	2	-60 - +125°C
DA5, DA6	5559ИН14У АЕЯР.431230.652ТУ	0,01	2	-60 - +125°C
DA7, DA8	249ЛП1Б ТТО.343.001 ТУ	0,01	2	-60 - +70°C
DA9	1309ЕН3.3Т АЕЯР.431420.668ТУ	1,7	1	-60 - +85°C
DA10	1309ЕН1.8Т АЕЯР.431420.668ТУ	0,03	1	-60 - +85°C
DD2, DD3	1645РУ4АУ АЕЯР.431220.ТУ	0,5	2	-60 - +125°C
DD4	1636РР2АУИ АЕЯР.431220.ТУ	0,1	1	-60 - +125°C
DD5	5584ЛН1Т АЕЯР.431210.647ТУ	0,01	1	-60 - +125°C
Z1	Ф01.5ВВ ЖБКП.468824.001	0,1	1	-60 - +100°C
G2	РМП1005ОВ ЖБКП.436634.024 ТУ	1	1	-60 - +100°C

Из приведенной таблицы 1.1 можно заключить, что самой большой мощностью обладает элемент DA9. Логично предположить, что больше всего будет нагреваться участок платы, на котором уставлен данный элемент. ЭРИ DA7 и DA8 имеют наименьший температурный диапазон функционирования, что указывает на невозможность их работы при высоких температурах. С учётом того, что блок входит в состав аппаратуры космического назначения, необходимо иметь запас на погрешность расчетов. Таким образом, рабочая температура должна быть на 30-40% меньше заявленной.

1.3 Факторы космической среды

Как было отмечено ранее, представленный блок входит в состав КА «Метеор-М». Соответственно, техническое оборудование данного класса аппаратуры подвергается большим нагрузкам. Для успешной работы на протяжении всего срока службы в условиях космоса необходимо учитывать влияние тепловых, механических и электрических воздействий, которые возникают, как и внутри, так и снаружи устройства. Список внешних воздействующих факторов космической среды более обширен и специфичен, чем на поверхности земли. Рассмотрим некоторые из них:

· Ионизирующие излучения - ядерные и ионизационные потери энергии частиц;

· Космическая плазма - приводит к электризации защитных покрытий, вследствие чего возможен отказ прибора;

· Тепловое излучение космических тел и космического пространства - ведет к неравномерному нагреву конструкций;

· Невесомость - в условиях космоса отсутствует передача тепла конвекцией, что приводит к ухудшению теплового режима и повышает возможность перегрева аппаратуры;

· Метеориты - не исключается контакт с космическими объектами, который может привести к механическим повреждениям аппарата.

· Замкнутый объём - отсутствие шины земли приводит к возникновению помех.

Чтобы как-то минимизировать влияние перечисленных факторов, необходимо решить ряд задач на стадии проектирования. С учётом процессов, которые протекают внутри печатного узла, возрастают требования к конструированию устройства; в том числе нужно сбалансированно размещать элементы на печатных платах, подобрать элементную базу, соблюдать тепловой режим. С другой стороны, следует придерживаться последних тенденций в области проектирования. К примеру, стремиться сделать конструкцию более компактной. Все эти решения принимаются на ранних этапах проектирования изделия, ниже приведена схема его жизненного цикла (Рисунок 1.4).

Рис. 1.4 Схема жизненного цикла изделия

Придерживаясь данного алгоритма, производство и реализация изделий становится более оптимизированной, исключаются издержки.

После изготовления продукта, немаловажным является этап «Поставки изделия» или же его эксплуатации. При транспортировке до заданного пункта или же хранении, устройство может быть подвержено ударам или вибрациям. Следует предусмотреть различные ситуации, которые могут возникнуть.



2. Методы моделирования

Проектирование и построение моделей в виртуальной среде, применение компьютерного моделирования и расчетов позволяет рассмотреть влияние различных факторов на аппаратуру и их последствия. Создание такой модели посредством применения различных САПР включает в себя использование некоторых методов [1].

2.1 Математические методы анализа

Физические эффекты, которые протекают в конструкции радиоэлектронной аппаратуры при нормальной работе, подчиняются совокупности алгебраических, дифференциальных и разностных уравнений с заданными граничными условиями. Проведение таких математических исследований способствует изучению полей и характеристик ЭРИ, а также нахождение оптимальных параметров модели при воздействии определённых внешних условий.

2.2 Общее уравнение

Анализ многих программ моделирования основан на рассмотрении дифференциальных уравнений с частными производными. Вид такого уравнения:

,

где V - неизвестная функция; x, y, z, t - независимые переменные; G - заданная функция аргументов.

Задачи такого типа являются нелинейными, по большей части уравнения сводятся к гиперболическому, параболическому или эллиптическому типу. Но для упрощения расчетов полей и тепловых режимов, многие задачи в первом приближении можно считать линейными. В таком случае процессы описываются волновым уравнением (гиперболический тип), уравнением теплопроводности (параболический тип), а также уравнениями Пуассона и Лапласа.

2.3 Граничные условия

Любая задача в области моделирования содержит в себе не только зависимости, которые описывают поведение внутренних процессов, но и дополнительные условия. Достаточно часто эти условия именуются краевыми или граничными. Очевидно, что работа объекта исследования рассматривается в определенный момент времени. То есть существует точка отсчета, которая содержит в себе начальные условия физического процесса, и также точка граничная, на которой рассмотрение процесса заканчивается. Характер зависимостей, которые описывают эти моменты, может быть разнообразен. Поэтому, целесообразно рассматривать эти участки отдельно.

Помимо прочего, краевые задачи должны подчиняться ряду требований, а именно должно существовать решение задачи, оно должно быть единственным и устойчивым. Проведение расчетов может быть осуществлено с помощью метода Фурье или разделения переменных, методом конечных интегральных преобразований, операционным методом, функцией Грина или методом конечных разностей. Каждый из методов успешно используется для решения задач определенного типа. Тем не менее, программный комплекс, в котором проводится исследование данной работы, а именно ПО АСОНИКА, основан на расчетах методом конечных разностей.



2.4 Метод конечных разностей

Данная методика считается достаточно универсальной и практичной для расчета конструкторских задач и решения дифференциальных уравнений. Многим этот метод известен как «метод сетки», что становится понятным при рассмотрении сути способа. Вместо области непрерывного изменения аргументов используется конечное множество точек (узлов). Совокупность таких узлов образует сетку. Таким образом, дифференциальные уравнения преобразуются в систему алгебраических уравнений, а производные, которые входят в их состав, сменяются сеточными функциями. Рассмотрим применение метода на примере решения уравнения теплопроводности.

,

где V = V(x, t) - это функция двух аргументов, притом изменение аргументов в области D = (0.

Ввод сетки

Щ_hф= {(xi = ih, tj = jф), i = 0,1,…,N; j = 0,1,…N0}

шаг равен h=1/N, ф=T/N0.

Разностные отношения:

(V_{j+1, i} - V _{j, i})/ф = V t ; (V _{i-1, j -2}V _{I, j} +V_{i+1, j})/h² =V _xx.

Заменяя производные на разностные отношения и подставляя значение в узлах сетки в функцию V(x, t), получаем сеточное уравнение.



(V _{I, j+1}- V _{I, j} )/ ф = a²(V_{i -1, j -2}V _{I, l} + V_{i+1, j})/h².

2.5 Методы подобия в моделировании

Современная аппаратура представляет собой сложные системы; различные ЭРИ, которые входят в их состав, обладают связями с другими составляющими блока. Анализировать такие системы достаточно сложно, по этой причине не существует строго алгоритма действий, и каждый случай требует индивидуального подхода. Тем не менее, использование метода подобия и моделирования или ТПМ, позволяет на результатах проведенных исследований делать обобщения и находить определенные закономерности. На основе полученных теорем и предположений строится упрощенная физическая или математическая модель. Таким образом, количество анализируемых параметров уменьшается без потерь описания модели. Самыми распространёнными методами можно назвать:

· Метод анализа размерностей - результатом анализа служит получение зависимости физических величин;

· р- теорема - позволяет составлять описание в виде обобщённых характеристик безразмерного вида;

· Метод подобия - основан на двух основополагающих теоремах. Первая теорема говорит о совокупности ряда подобных отношений помимо подобия в размерах, это касается энергии и свойств материалов. Вторая теорема говорит, что необходимым и достаточным условием подобия для модели будет сохранение пропорций между сходственными характеристиками, которые заложены в условия однозначности.



2.6 Иерархический метод

В зависимости от того, какие цели поставлены в исследовании, каждый объект может рассматриваться по-разному. К примеру, если объект является частью одной большой системы, то целесообразно принять его за «материальную точку». Если же нас интересует взаимосвязь этого объекта с окружающей средой и его реакция на влияние внешних факторов, то необходимо рассматривать объект более детально и анализировать процессы, которые происходят внутри него. Для этих целей конструкция разбивается на уровни, из которых обычно выделяют:

· Уровень 1 - отдельно каждый ЭРИ;

· Уровень 2 - печатные платы и размещенные на их поверхностях компоненты;

· Уровень 3 - корпус блока, с размещенными внутри него печатными узлами;

· Уровень 4 - электронный шкаф, представляет собой совокупность всех предыдущих уровней, также может включать в себя какие-либо дополнительные элементы (крепления, стойки, подложки).

Такой подход достаточно удобен для анализа объекта в различных подсистемах. Например, в подсистеме АСОНИКА-Т рассматриваются составляющие блока и печатный узел, который задан одним узлом. Напротив, в подсистеме АСОНИКА-ТМ, процессы, которые протекают в печатном узле, рассматриваются более детально, каждый ЭРИ является отдельным объектом.

2.7 Электротепловая аналогия

Это часто используемый метод, с помощью которого тепловой расчет сводится к расчету эквивалентных линейных электрических схем. Для этого к каждой тепловой величине, такой как температура или тепловой поток, находится электрический аналог. Вследствие чего тепловые и электрические величины взаимозаменяются. Это становится возможным благодаря тому, что распространение тепла и электрического тока задается одними и теми же дифференциальными уравнениями; то есть зависимости, с точки зрения математики, одинаковы. Как вывод, находя значение одних параметров, мы находим другие. Электротепловая аналогия приведена в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Электротепловая аналогия

Тепловая характеристика	Электрический аналог
Температура	Напряжение
Количество теплоты	Заряд
Тепловой поток	Ток
Тепловое сопротивление	Сопротивление
Теплоёмкость	Ёмкость
Источник мощности	Источник тока
Окружающая среда	Источник напряжения

2.8 Коэффициент нагрузки

Анализ коэффициента нагрузки является одним из основных инструментов исследования тепловых и механических режимов и последствий влияний этих нагрузок. Коэффициент нагрузки - это безразмерная величина, которая характеризует стойкость электрорадиоэлементов к прилагаемым воздействиям. Численное значение коэффициента тепловой нагрузки определяется посредством отношения расчетной температуры к температуре, заданной техническим условием (ТУ) на элемент.

Каждому классу аппаратуры присваивается свой рекомендованный коэффициент нагрузки. Для конструкций класса космической аппаратуры коэффициент несколько ниже, чем для наземных устройств. Это обуславливается более неблагоприятной средой и невозможностью оперативного ремонта. Как следствие, для космической отрасли предлагается брать коэффициент не выше 0,7. Но некоторые элементы могут иметь дополнительные условия использования, и для обеспечения требуемой надежности коэффициент лежит в пределах 0,3-0,5. Формула расчета коэффициента:



3. Исследование тепловых процессов

3.1 Теплообмен

Наличие разности температур между соприкасающимися поверхностями вызывает процесс переноса тепловой энергии. Это явление получило название теплообмена. В общем случае, распространение тепла по поверхности изделия характеризуется функцией координат по времени. Поверхность, в которой каждая точка имеет одинаковую температуру, образует изотермическую поверхность.

В ходе эксплуатации устройства и его нормальной работы, каждый электрорадиоэлемент на печатной плате выделяет энергию, которая распространяется в виде тепла. Выделяют три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

3.1.1 Теплопроводность

Теплопроводность - это процесс переноса теплоты между двумя контактирующими поверхностями; рассматривается на микроскопическом уровне. Количество переданной теплоты можно вычислить по формуле:

,

где K - коэффициент теплопроводности, S - площадь поперечного сечения теплового потока, l - длина теплового пути, - разность температур элемента и окружающей среды. Перенос тепла осуществляется разными способами в зависимости от агрегатного состояния вещества. В газах - это диффузия молекул и атомов, в жидкостях и твердых веществах - это упругие волны, в металлах - диффузия свободных электронов. В металлах при повышении температуры снижается теплопроводность.

3.1.2 Конвекция

Конвекция - процесс передачи тепла через жидкостную или воздушную прослойку, то есть перенос тепла осуществляется вместе с каким-либо веществом; рассматривается на макроскопическом уровне. Существует два вида конвекции: естественная и принудительная. Первая протекает самопроизвольно при наличии разности температур. Вторая возникает под воздействием внешних источников, таких как насосы и вентиляторы. В космическом пространстве из-за отсутствия жидкостной и воздушной прослойки данный способ теплообмена исключается.

3.1.3 Излучение

Излучение или радиация - процесс переноса тепла посредством электромагнитных волн определенного спектрального диапазона. Количество переданной теплоты можно найти из формулы:

,

где K - коэффициент теплопередачи, S - площадь поверхности излучающего объекта, - разность температур между излучающим и нагреваемым объектами. Интенсивность излучения зависит от свойств объекта, таких как материал, температура, длина волны; для газов - давление и толщина слоя.

При работе в реальных условиях, как правило, теплообмен составляет совокупность разных видов передачи тепла. Это усложняет расчет теплового поля, но именно эта совокупность определяет тепловой режим. Результаты считаются приемлемыми, если погрешность расчета не превышает 20%.

Температура окружающей среды и другие ее параметры, такие как радиация, оказывают большое влияние на работу ЭРИ. Также, внутри блока образуется давление, присутствует невесомость. Из-за присутствия физических и химических процессов, ЭРИ могут нормально работать только в заданном диапазоне температур, которое прописано в ТУ. Иначе функционирование элементов нарушается, материалы начинают разрушаться. Для контроля надежности аппаратуры используется множество факторов, один из которых носит название интенсивности отказов (л). Этот показатель определяет плотность распределения наработки до первого отказа. Таким образом, при повышении температуры интенсивность отказов повышается, что делает аппаратуру менее надежной.

3.2 Способы отвода тепла

Поддержание необходимого температурного режима устройства и защита от перегрева - это главные задачи теплового моделирования. Тем не менее, отказы аппаратуры случаются. Для решения этой проблемы, в каких-то случаях, стоит пересматривать конструкцию блока, учитывать расположение электрорадиоэлементов и их тепловыделения, заменять материалы изделий и обращать внимание на их способность отводить тепло. Но во многих других случаях приходится вносить дополнительные элементы защиты в конструкцию блока. Такими элементами являются системы обеспечения теплового режима (СОТР). Их основной задачей является поддержание определенного диапазона температур. То есть, такие системы могут нагревать элемент (омический электронагреватель) или охлаждать, что осуществить сложнее. Классифицируются СОТР по ряду признаков [2]:

· допустимому диапазону температур

· классу аппаратуры

· основному рабочему веществу

· Типу теплопередачи

· Способу контакта с источником энергии

· Занимаемой площади, количеству покрываемых узлов

· Связь с окружающей средой

· Системы охлаждения радиоэлектронной аппаратуры.

3.2.1 Воздушные системы

Применение систем воздушного охлаждения является универсальным и достаточно распространённым методом отвода тепла. При принудительной конвекции воздушный поток формируется с помощью вентиляторов или компрессоров. При этом, возможен обдув внешней части аппарата или же продув воздуха через внутреннюю конструкцию. Поток воздуха может, как и нагнетаться в аппарат, так и вытягиваться. Относительно других систем, такая конструкция невесомей, но равномерно отводить тепло такой установкой не получится.

3.2.2 Жидкостные системы охлаждения

Отвод тепла в такой системе происходит с помощью циркулирующей жидкости, которая контактирует с перегреваемым элементом. По способу циркулирования жидкости различают:

· Замкнутые системы - жидкость перемещается по герметичному контуру от нагревателя до охладителя, попеременно нагреваясь и остывая.

· Незамкнутые системы - жидкость получает тепло у источника и охлаждается в окружающей среде.

· Открытые системы - более сложная система, в которой нагреватель помещен в охладитель.

Также существует подразделение на конвективные системы, в которых процесс происходит за счет конвекции, и циркуляционные системы, в которых используется насос или иной механизм.

Достаточно часто такие системы функционируют совместно с теплообменником, в роли которого может быть использован радиатор. Данный метод достаточно эффективен и часто встречается в аппаратуре наземного класса.



3.2.3 Испарительные системы охлаждения

Способ охлаждения основан на изменениях агрегатного состояния жидкости. Вещество, которое помещено внутри, проходит через нагретую поверхность и закипает. Получившаяся смесь попадает в сепаратор, где пар отделяется от жидкости и поступает в теплообменник. После этого пар конденсируется и попадает вместе с оставшейся жидкостью в начало цикла. Такая система используется в аппаратуре космического класса.

3.2.4 Кондуктивные системы охлаждения

Метод основан на явлении теплопроводности - передает энергию от одного объекта к другому. Наиболее эффективен для решения проблемы локального охлаждения.

Таблица 3.1

Коэффициенты теплоотдачи

Система охлаждения	Коэффициент теплоотдачи К, Вт/(м2*оС)
Воздушная	2-150
Жидкостная	200-3000
Испарительная	500-120000

3.3 Основные элементы систем охлаждения

Составные части систем охлаждения можно разбить на определенные классы устройств:

· Теплоносители - вещество, которое транспортирует тепло. Это может быть жидкость или воздух, для каждой системы вещество выбирается в зависимости от его физических свойств.

· Теплообменники - конструкция, которая служит посредником для передачи тепла между теплоносителями.

· Нагнетатели - дополнительные элементы (насос, поршень, вентилятор), которые перемещают жидкость и компенсируют энергию, затраченную веществом на силу трения.

3.4 Конструкции для отвода тепла

Одним из наиболее простых методов охлаждения является установка радиатора. Он устанавливается непосредственно на сам перегревающийся элемент и с помощью высокой теплоемкости материала, из которого изготовлен радиатор, отводит тепло. Чаще всего таким материалом является алюминий, медь или их сплавы. По конструкции различают игольчатые, пластинчатые или ребристо-пластинчатые радиаторы. В зависимости от количества поступающего тепла выбирается конструкция и габариты радиатора.

Еще одним эффективным методом является использование термоинтерфейса, который представляет собой слой между охлаждаемой поверхностью и отводящим тепло устройством. Наиболее распространённым видом является теплопроводная паста. Она используется для уменьшения теплового сопротивления между поверхностями и имеет высокую теплопроводность. Состав паст достаточно разнообразен, используются металлы, микрокристаллы, оксиды металлов, нитриды, а также связующие вещества. Если же крепеж элемента не обеспечен, то вместо пасты используется теплопроводный клей.

Широкое применение в космической отрасли получило использование тепловых трубок. Принцип работы такой конструкции основан на испарении жидкости. Один конец металлической трубки нагревается, следовательно, жидкость испаряется и конденсируется на холодном конце трубки. После чего она перемещается снова на нагретую часть трубки. Такие трубки бывают двух видов: гладкостенные и с пористым покрытием. В трубках с гладкими стенами жидкость перемещается под действием силы тяжести, то есть необходимо, чтобы холодный конец трубки находился выше нагретого. Это позволит жидкости стекать из одной зоны в другую. Работа трубок с наполнителем не зависит от положения в пространстве, так как перемещение жидкости происходит под действием капиллярных сил. В качестве рабочей жидкости могу быть выбраны: жидкий гелий, ртуть, аммиак, вода, метанол, этанол и т.д. Это зависит от условий применения. Также, необходимо учитывать температурный диапазон использования, чтобы вся жидкость не перешла в пар, но и имела возможность испаряться.

Еще одним способом охлаждения является использование эффекта Пельтье. Использование этого метода основано на контакте двух материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока, электрон приобретает энергию и переходит в другую зону проводимости. Далее эта энергия поглощается и происходит охлаждения места контакта проводников. Если ток протекает в обратном направлении, то происходит нагревание. Применяется данный метод для охлаждения тех участков, где разница температур невелика. Количество тепла находится по формуле:

,

где P - коэффициент Пельтье.

Также, для охлаждения элементов используются вихревой эффект. Суть метода заключается в разности кинетических энергий потоков у оси и на периферии цилиндрической конструкции. Энергия центрального потока отдается внешним слоям, за счет этого происходит охлаждение воздушной прослойки, и воздух перемещается в окружающую среду.

Все перечисленные способы охлаждения конструкций успешно используются в проектировании современного оборудования. Но классификация аппаратуры вводит ограничения на применение методов отвода тепла. К примеру, в классе аппаратуры космической техники исключается установка приборов, работа которых основана на конвекции. Это означает, что в процессе моделирования объекта в данной работе методы передачи тепла через воздушную прослойку рассматриваться не будут.



4. Исследование механических воздействий

Механическая нагрузка - вид силового воздействия, при котором устройство может быть подвержено деформации и выйти из строя. Влияние механических нагрузок вызывает около половины отказов в работе радиоэлектронной аппаратуры, особенно это касается не наземной аппаратуры. Возможные виды повреждений [3]:

· Появление трещин, зазоров на поверхности блока, что ведет к нарушению герметизации;

· Повреждение электрических контактов;

· Нарушение архитектуры блока, изменение расположения компонентов;

· Поломка и выход из строя отдельных частей блока (в том числе отдельные ЭРЭ);

· Расслоение печатной платы;

· Отслаивание проводников;

· Появление помех.

Динамическая механическая система подвергается постоянному воздействию сил. Обычно выделяют восстанавливающие силы или же силы упругости и диссипативные силы. Сила упругости возникает в случае, если тело меняет свою форму, и стремится вернуть его в первоначальное состояние. Диссипативные силы обеспечивают убывание механической энергии с помощью перехода энергии в другие формы. Также, немаловажным параметром является число степеней свободы системы. Этот параметр характеризует минимальное число независимых координат, которые с точностью определяют положение всех точек системы в любой момент времени. У реальных систем количество таких степеней свободы бесконечно большое.



4.1 Механические воздействия

Достаточно часто выделяют несколько видов механических воздействий. Первый из них - это вибрация. Под вибрацией подразумевают колебание системы или её отдельных элементов. Как и любое колебание, вибрация может быть периодической или же случайной. Разделяют виды:

· Гармоническая вибрация - колебание, которое подчиняется гармоническим законам. В условиях реального условия встречается редко, но достаточно часто рассматривается при исследованиях в лабораториях.

· Полигармоническая вибрация - колебание, которое получается при сложении гармонических составляющих. Более реальный случай, создается электромеханическими установками.

· Случайная вибрация - колебание, которое не описывается каким-либо законом.

Следующий вид воздействия - это удар. Ударом называются физическое воздействие, при котором происходит быстрое изменение положения объекта. Также, удар может быть одиночным или многократным.

В большинстве случаев, это воздействие возникает при транспортировке и установке устройства. В процессе влияния удара, ЭРЭ могут приобретать ускорения, которые ведут к повреждениям. Воздействие характеризуется его амплитудой, формой и длительностью действия.

Линейное ускорение - это тот вид воздействия, который присущ всем объектам, которые движутся с непостоянной скоростью. Влияние на ЭРЭ и на конструкцию в целом обусловлено наличием инерционных сил. Применять меры защиты против линейного ускорения достаточно сложно, они мало поддаются ослаблению. Если влияние кратковременное, то возможно ввести конструктивные меры защиты. Иначе, нужно увеличивать жесткость и прочность объекта.

Последним воздействием, которое выделяют в отдельный вид, является акустический шум. Представляет собой беспорядочные звуковые колебания, которые распространяются в среде.

4.2 Защита от механических воздействий

Как уже говорилось ранее, влияние механических воздействий может значительно ухудшить работоспособность радиоэлектронного изделия. Поэтому необходимо повышать устойчивость устройства, путём внесения изменений в его конструкцию. Выделяют три основных способа защиты [4]:

· Частотная отстройка

· Виброизоляция

· Демпфирование

Наиболее распространенным методом защиты является применение частотной отстройки. Суть состоит в том, чтобы изменить соотношения между частотами, которые приходят извне, и собственной частотой объекта исследования. При его применении уменьшаются резонансные колебания, но соответственно меняется масса и жесткость системы. Это достигается путем:

· Установка дополнительных креплений платы или видоизменение существующих. Например, увеличение размера, замена материала, смена места крепления.

· Добавление ребер жесткости. Представляет собой балку или брус, который крепится к поверхности платы и увеличивает жесткость конструкции.

· Изменение параметров печатной платы, таких как площадь или толщина.

Другой метод состоит в использовании демпфирования колебаний. Для этого, в конструкцию печатной платы добавляется слой из вибропоглощающего материала. Работа сил внутреннего трения погашает нежелательную пульсацию. Вибропоглощающий слой может быть жестким, с модулем упругости от 100 до 1000 Мпа, применяется на низких и средних частотах. Или же мягким, с модулем 10Мпа, применяется при высокочастотных колебаниях. Соответственно, этот метод также изменяет собственную частоту платы.

Последним способом защиты является Использования виброзащиты и амортизаторов. Амортизатор представляет собой устройство для поглощения ударов и гашения колебаний. Сутью является превращение механической энергии в тепловую. Классификация данного устройства достаточно обширна, но одной из самых важных является разделение по принципу действия: на механические с использованием сухого трения, на гидравлические с использованием вязкого трения, на электромагнитные и фрикционные. Также различают односторонние и двухсторонние амортизаторы в зависимости от области применения. Существуют различные способы крепления амортизаторов, но чаще всего их располагают так, чтобы центр жесткости системы совпадал или лежал на одной вертикали с центром масс.

4.3 Схемы установок виброизоляторов

Главным критерием установки виброизоляторов служит расположение центра тяжести и центра масс объекта, в связи с этим существует несколько способов их установки (Рисунок 4.1).

Рис. 4.1 Способы расположения виброизоляторов

Первый способ наиболее простой. Не защищен от боковых нагрузок, часто центр тяжести не совпадает с таковым у аппаратуры. Вторая схема используется в летательных аппаратах, уменьшает нагрузку по горизонтальным осям. Третья схема показывает, что размещение виброизолятора возможно и вне плоскости центра тяжести. Четвертый способ используется, если высота блока вдвое больше его ширины. Важно соблюдение симметрии относительно центра тяжести. Пятый способ показывает двусторонний монтаж, который достаточно универсален и защищает блок от воздействия внешних сил со всех сторон. Угловое размещение виброизоляторов, как на шестой схеме, наиболее сложное в исполнении. Используется для изоляции пространственных вибраций. Последний случай применим, только когда центр жесткости и центр тяжести блока совпадают, это способствует уравновешиванию действующих сил и вращательных колебаний.

4.4 Герметизация

Герметизация - способ, который ограничивает блок от воздействия некоторых климатических факторов. Герметизация может быть частичной или полной, а вызвана необходимостью изоляции от пыли, влаги или просто защитой ЭРЭ.

Особенно актуально использование способа в аппаратуре космического класса.



5. Анализ нормативной литературы для выбора значений тепловых и механических воздействий

По ГОСТ РВ 20.30.304-98 «Требование стойкости к внешним воздействующим факторам» [5] для бортовой аппаратуры космической техники, предназначенной для установки в герметизированных приборных отсеках и контейнерах космических аппаратов, были выбраны следующие требования, приведенные в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Требование стойкости к внешним воздействующим факторам

Воздействующий фактор	Характеристика воздействующего фактора	Значение воздействующего фактора
Синусоидальная вибрация	Амплитуда ускорения, м/с2 (g)	100 (10)
	Диапазон частот, Гц	5-2000
Случайная вибрация	Среднеквадратическое значение	По ТТЗ (ТЗ)
	Диапазон частот, Гц	20-2000
Акустический шум	Диапазон частот, Гц	150-10 000
	Уровень звукового давления, дБ	150
Механический удар одиночного действия	Пиковое ударное ускорение, м/с2 (g)	1500 (150)
	Длительность действия ударного ускорения, мс	0,3-1
Механический удар многократного действия	Пиковое ударное ускорение, м/с2 (g)	50 (5)
	Длительность действия ударного ускорения, мс	2-10
Линейное ускорение	Значение ускорения, м/с2 (g)	150 (15)
Повышенная температура среды	Рабочая, °С	40
	Предельная, °С	50
Пониженная температура среды	Рабочая, °С	-10
	Предельная, °С	-50
Изменение температуры среды	Диапазон изменения температуры, °С	От -50 до 40



6. Системы моделирования

Компьютерное моделирование является одним из основных этапов разработки технических объектов. С их помощью, появилась возможность симулировать влияние процессов, которые воздействуют на техническое оборудование в реальных условиях. Анализ полученных результатов позволяет сделать выводы о том, насколько пригоден объект к использованию. Для реализации этого существуют различные САПР. Наиболее используемые из них:

· SolidWorks

· ANSYS

· Mentor Graphics

· АСОНИКА

В данной работе для проведения анализа блока спутника связи была выбрана программа АСОНИКА. Во-первых, пакеты этой программы позволяют проводить в совокупности моделирование влияний тепловых и механических воздействий, во-вторых, был получен доступ к использованию лицензированной версии программы.

6.1 АСОНИКА-Т

Подсистема АСОНИКА-Т - это одна из программ ПО АСОНИКА, которая моделирует и анализирует тепловые процессы, протекающие в устройстве. Программа дает возможность расчета стационарного и нестационарного тепловых режимов в условиях окружающей среды любой сложности. В подсистему заложены графические редакторы, с помощью которых осуществляется построение модели, а также база данных со справочными материалами. Вычисления реализуются с использованием метода электротепловой аналогии [6].

Для успешного моделирования для задания исходных данных требуется следующая информация:

· Чертеж, эскиз конструкции блока;

· Теплофизические параметры материалов составляющих частей блока;

· Мощности тепловыделений элементов или ПУ

· Дополнительные условия охлаждения

· Параметры, которыми задается время работы устройства.

Далее, конструкция блока представляется в виде топологической модели, и в подсистеме строится граф, в котором каждый узел является отдельной изотермической поверхностью, а связи между этими узлами (рёбра графа) видом теплопередачи. Также, с помощью источников, вводятся мощности, которые заданы по ТУ, и температуры окружающей среды или дополнительных элементов блока.

На выходе программа выдает значения температур каждого участка для заданных граничных условий. Полученные данные поступят как входные в подсистему АСОНИКА-ТМ, с их помощью станет возможным получение тепловых режимов ПУ.

6.2 АСОНИКА-ТМ

Подсистема АСОНИКА-ТМ также является продуктом АСОНИКА и позволяет проводить исследования на влияние тепловых и механических воздействий. В систему заложена математическая модель расчета, а именно метод конечных разностей. Как говорилось ранее, в нем используется система дифференциальных уравнений и граничные условия. Моделирование может проходить в стационарном и нестационарном режимах, в рамках механических нагрузок рассматривается шесть воздействий: гармоническая вибрация, случайная вибрация, однократный удар, многократный удар, линейное ускорение, акустический шум.

Для проведения работы в программе нужно знать размеры печатной платы и каждого ЭРЭ, физические свойства элементов и их тепловыделения, размещение всех объектов относительно друг друга, граничные условия. Подсистема позволит получить карту тепловых режимов ПУ, а также произвести анализ влияния механических процессов. В результате моделирования можно получить значение температур и коэффициенты нагрузок на отдельных элементах, динамические и амплитудно-частотные характеристики.



7. Тепловое моделирование

7.1 Построение модели в подсистеме АСОНИКА-Т

Построение модели в подсистеме АСОНИКА-Т делается с использованием чертежей блока. Блок ВВБ, как видно из рисунков 1-2, представляет собой конструкцию в форме параллелепипеда. Каждая стенка блока, как отдельная изотермическая поверхность, будет вершиной графа. Также, модель включает в себя восемь узлов отведенных под участки платы. Восемь стоек будут заданы шестнадцатью узлами, каждая стойка задействует два узла: один находится под платой, другой над платой. Соответствия между номером узла и поверхностью представлены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Наименования узлов

№ Узла	Имя узла
1	Правая стенка
2	Основание
3	Левая стенка
4	крышка
5	Передняя стенка
6	задняя стенка
7	окружающая среда
8	стойка 1
9	стойка 2
10	стойка 3
11	стойка 4
12	Стойка 5.1
13	стойка 6.1
14	стойка 7.1
15	стойка 8.1
16	участок 1
17	участок 2
18	участок 3
19	участок 4
20	участок 5
21	участок 6
22	участок 7
23	участок 8
24	Посадочное место
25	Стойка 5
26	Стойка 6
27	Стойка 7
28	Стойка 8
29	Стойка 1.1
30	Стойка 1.2
31	Стойка 1.3

Первая часть модели, которая изображена на рисунке 7.1, включает в себя стенки блока, посадочную поверхность и окружающую среду. Как видно из рисунка, присутствует три типа теплообмена.

Каждая стенка блока имеет контакт с четырьмя другими стенками, сплошное ребро между узлами показывает, что между ними происходит теплопередача с помощью кондукции в декартовой системе координат. Таким образом, поверхности блока образуют шестиугольник, в котором каждый узел связан с четырьмя другими узлами.

Помимо этого, от каждой стенки блока происходит теплообмен излучением с окружающей средой, что показано волнистой линией. Через нулевой узел подключается источник и задает температуру окружающей среды.

Основание блока стоит на посадочной поверхности посредством контактного теплообмена, что показано жирной линией.



Рис. 7.1 Первая часть модели

Вторая часть модели (рисунок 7.2) описывает передачу тепла через стойки. Крышка блока (узел 4) кондуктивно связана с верхними частями восьми стоек. Стойки, в свою очередь, проходят через плату, линии связи 8 и 16, 9 и 17 и т.д. симулируют передачу тепла от нагретых ЭРЭ к их поверхностям. Аналогично происходит кондуктивная передача тепла от платы к основанию.

Рис. 7.2 Вторая часть модели

Третья часть модели (рисунок 7.3) задает мощности каждого из восьми участков платы. От верхней и нижней поверхностей платы происходит излучение на крышку и основание соответственно.

Рис. 7.3 Третья часть модели

7.2 Моделирование в АСОНИКЕ-Т

По ГОСТ РВ 20.30.304-98 «Требование стойкости к внешним воздействующим факторам», предельные температуры, при которых рекомендуется работа класса космической аппаратуры, +40 °C и +50°C по верхней границе диапазона, -50°C по нижней границе. В дополнение к этому были рассмотрены промежуточные рабочие температуры.

Результаты моделирования при температуре окружающей среды 40°C и температуре посадочного места 40°C (таблица 7.2).



Таблица 7.2

Результаты при температуре окружающей среды 40°C и температуре посадочного места 40°C

№ Узла	Имя узла	Температура, °C
1	Правая стенка	40.8
2	Основание	40
3	Левая стенка	40.8
4	крышка	41.6
5	Передняя стенка	40.8
6	задняя стенка	40.8
7	окружающая среда	40
8	стойка 1	42.1
9	стойка 2	41.8
10	стойка 3	41.8
11	стойка 4	42
12	Стойка 5.1	40.3
13	стойка 6.1	40.2
14	стойка 7.1	40.2
15	стойка 8.1	40.2
16	участок 1	48.6
17	участок 2	51.6
18	участок 3	53.7
19	участок 4	67
20	участок 5	60
21	участок 6	49.6
22	участок 7	51.6
23	участок 8	52.7
24	Посадочное место	40
25	Стойка 5	41.8
26	Стойка 6	41.7
27	Стойка 7	41.7
28	Стойка 8	41.7
29	Стойка 1.1	40.3
30	Стойка 1.2	40.1
31	Стойка 1.3	40.3
32	Стойка 1.4	40.5

Из таблицы видно, что больше всего нагреваются четвертый и пятый участки платы. Это из-за того, что там локально расположены ЭРЭ с самыми большими мощностями. За счет установления посадочного места, стенки блока имеют примерно одинаковую температуру. В приложении А приведены таблицы для других температур, общие положения там сохраняются.

7.3 Моделирование печатного узла в АСОНИКЕ-ТМ

Модель в АСОНИКЕ-ТМ представляет собой плату с расположенными на ней элементами и креплениями. Помимо расположения всех этих объектов согласно чертежу, вводятся мощности ЭРЭ, выбирается конструкция и тип крепления элемента.

После этого, для верхней и нижней поверхности задаются тепловые граничные условия. В данном случае, передача тепла происходит только с помощью излучения на соседнюю поверхность. Температуры соседних объектов берутся из ранее проделанных расчетов в подсистеме АСОНИКА-Т.

Промоделируем со значениями из таблицы 7.2, где температура окружающей среды и посадочного места равнялась 40°C. А температуры соседних поверхностей - 41.6°C и 40°C.

Рис. 7.4 Тепловое поле при температуре окружающей среды 40°C

Тепловое поле показывает (рисунок 7.4), что больше всего нагревается элемент DA9, его температура поднимается выше 70°C. Элемент DD3 нагревается примерно до 60°C. Обратимся к...