On the issue of technical compatibility of electrotechnical complexes and systems of aircrafts

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Среди множества различных видов технической совместимости (ТС) приоритетное значение имеют конструктивная, технологическая, эксплуатационная и тепловая. Дело в том, что эти виды ТС, как правило, наиболее проблематичны и характерны для большинства представителей современной техники.

Цель исследований заключается в анализе существующих подходов в проектировании электротехнических комплексов летательных аппаратов в совокупности с исследованием различного рода совместимости оборудования, применяемого на летательном аппарате.

Конструктивная совместимость (КС) электротехнических комплексов и систем (ЭТК) является предметом рассмотрения как в научных и инженерных работах, так и в нормативных документах. Например, в ГОСТ 22315-77 КС определена как согласованность состава и структуры ЭТК, которая достигается установлением и применением единых форм конструктивных элементов, единых рядов габаритно-установочных и присоединительных размеров и допускаемых для этих размеров предельных отклонений. В работах [1, 2] под КС понимается свойство ЭТК, обеспечивающее согласованность конструктивных параметров, эргономических, эстетических требований и механических совмещений этих средств при совместном применении.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Системное проектирование (СП) – это закономерный финальный этап совершенствования и развития ЭТК баллистической ракеты, основанный на совокупном использовании лучших достижений в данной области техники. Такая логика подхода к проектированию органически воплощает в себе принципы энерго- и ресурсосбережения, актуальность реализации которых не вызывает сомнений и подтверждается известными долговременными программами развития.

Целесообразно различать частичный и комплексный подходы к СП. На практике обычно реализуется частным ЧСП. Суть его заключается в том, что компоненты ЭТК баллистической ракеты выбираются из ранее созданных компонентов под свои технические задания (ТЗ). Очевидно, что в случае применения их в разработках новых объектов другого типа, хотя и с близкими, но все же с иными характеристиками, не будут учтены в полной мере свойства, возможности этих узлов и особенности их взаимодействия между собой. Поэтому в данном случае в компонентах неизбежно будут иметься, как минимум, неиспользованные резервы их, по крайней мере, в части электрических и электромагнитных нагрузок их элементов.

КСП характеризуется интегрированным подходом к проектированию одновременно всех узлов объекта, не только с учетом свойств и характеристик каждого компонента баллистической ракеты и особенностей их взаимодействия между собой, но и с учетом реализации достигнутых на данный момент возможностей их совершенствования на основе структурно-алгоритмической, параметрической и конструкторско-технологической оптимизации. В данном случае необходимо решать системные задачи проектирования на стыке следующих областей знаний:

• электромеханика;
• силовая преобразовательная техника;
• теория автоматического управления;
• информационная электроника;
• радиотехника.

Очевидно, что реализация КСП (на начальном этапе) должна быть более затратной по финансово-временным и трудовым ресурсам и возможна лишь после завершения процедуры детального изучения свойств и характеристик альтернативных вариантов структурно-алгоритмической организации и параметрической оптимизации как компонентов ЭТК баллистической ракеты, так и ее самой. Этот этап разработки требует декомпозиции ЭТК на составляющие его компоненты и глубокого исследования возможностей их совершенствования по заданным критериям проектирования. Таким образом, наилучшее сопряжение компонентов друг с другом (по критериям энерго- и ресурсосбережения) требует учета взаимного их влияния друг на друга. Поэтому этот процесс и характеризуется как комплексный этап разработки.

В научно-организационном плане КСП представляет собой масштабную процедуру, требующую широкопрофильных знаний высоко профессионального уровня и, как следствие, привлечения разнопрофильных специалистов по разработке новой техники. Объемное понятие разработки нового перспективного (ЭТК) включает в себя следующие:

• структурный синтез;
• структурно-алгоритмический синтез;
• поиск известных (или формирование новых) модельных описаний проектно необходимых взаимосвязей в компонентах для известных и для новых узлов соответственно;
• параметрический синтез на этой основе;
• конструкторско-технологическая проработка и оптимизация;
• изготовление опытных образцов;
• серия различного уровня испытаний с доводкой на этой основе всех решений;
• приемо-сдаточные испытания (с последующей подготовкой к серийному производству).

Сосредоточим свое внимание на следующих компонентах ЭТК, наиболее характерных для баллистических ракет:

• малоискажающие преобразователи постоянного напряжения в переменное, включая обращенный режим их использования – устройства класса DC/AC;
• малоискажающие (активные) выпрямители;
• компенсаторы реактивной мощности (КРМ). ЭТК данного типа и ЭТК других типов в большинстве случаев содержат следующие узлы (звенья), причем как в традиционном одноканальном, так и в многоканальном исполнении:
• выпрямительные нерегулируемые и регулируемые устройства (ВУ) пассивного и активного типов;
• трансформаторно-выпрямительные устройства (ТВУ) с заданной, повышенной пульсностью выпрямленного напряжения (с использованием фильтров);
• автотрансформаторно-выпрямительные устройства (АТВУ) с заданной, повышенной пульсностью выпрямленного напряжения (также с использованием фильтров);
• импульсные регуляторы постоянного и переменного напряжения (ИРН) в многоканальном исполнении;
• конверторы напряжения (КН) в многоканальном исполнении;
• сглаживающие фильтры (для ВУ, ИРН, КН);
• фильтры переменного тока (для ОИН, ТИН, КРМ).

Как следует из этого перечня, КСП в зависимости от типа компоненты ЭТК могут включать в свой состав разнородные по своей структуре и по физической природе узлы. При всем этом КСП должно базироваться на процедурах структурно-алгоритмической и параметрической оптимизации различного уровня, что требует от разработчика навыков и умения оперативно и грамотно решать эти задачи (т. е., как минимум, владеть традиционными методами синтеза, анализа, расчета и проектирования компонентов ЭТК). Для реализации КСП требуется владение не только традиционными, но и современными приемами структурно-алгоритмического синтеза (САС) и процедурой многокритериальной параметрической оптимизации [4]. Среди современных приемов САС в ЭТК используются следующие.

Наряду с традиционным одноканальным принципом преобразования (ОКП) в последнее время все больше используют принцип многоканального преобразования (МКП) энергетического потока (ЭП), который применим ко всем вышеперечисленным УСЭ и ЭТК на их основе. МКП обеспечивает:

1) требуемый уровень электромагнитной совместимости (ЭМС) и электроэнергетической совместимости (ЭЭС);

2) возможность реализации преобразующих устройств повышенной мощности, превосходящей возможности располагаемой полупроводниковой элементной базы.

Принцип промежуточного высокочастотного преобразования (ПВЧП) энергетического потока эффективно решает задачу энергосбережения (при высоких значениях КПД). Данный принцип применим к следующим классам: КН, ОИН, ТИН, ТВУ, ИРН.

При решении задач преобразования параметров ЭП используют следующие способы модификации широтно-импульсной модуляции (ШИМ):

• по синусоидальному закону;
• трапецеидальному закону;
• квазитрапецеидальному закону: однополярная ШИМ (ОШИМ), двухполярная ШИМ (ДШИМ).

Для улучшения спектрального состава выходного напряжения (или входного тока) алгоритмы используются совместно с реактивными элементами (фильтрами). На практике применяют две технологии реализации этих модификаций, которые (при неизменной выходной частоте) характеризуются неизменной или изменяющейся частотой переключения ключей УСЭ. В первом варианте технология обозначается как жесткая. Она обеспечивает неизменность спектрального состава выходного напряжения и входного тока УСЭ. Во втором варианте технология обозначается как следящая, использующая релейный способ управления слежения за эталонным, задающим сигналом при заданном отклонении от него. Этот алгоритм управления характеризуется изменяющимся в зависимости от нагрузки спектральным составом выходного напряжения и входного тока УСЭ. Каждая из этих технологий имеет свои особенности. Выбор той или иной из них определяется требованиями ТЗ. Технологии применяются в следующих классах УСЭ: ОИН, ТИН, КРМ.

Модификации широтно-импульсного регулирования (ШИР): однополярное ШИР (ОШИР), двухполярное ШИР (ДШИР), широтное регулирование (ШР) – это простейший вариант ОШИР. Модификацией ШИР является частичное ШИР (ЧШИР), характеризуемое меньшими искажениями входных и выходных величин. В простейшем варианте реализации ЧШИР известно также как «способ вольтодобавки». Данные алгоритмы используют для реализации функций регулирования, или стабилизации напряжения, или тока. В данном случае могут использоваться две технологии реализации алгоритмов, а именно программная и следящая. Применяются они преимущественно в классах КН, ИРН. В перспективных разработках УСЭ (и ЭТК на их основе) весь арсенал перечисленных средств проектирования в конечном счете направлен на решение следующих системных задач [5]:

• улучшение ЭМС;
• улучшение ЭЭС (фактически повышение КПД);
• улучшение массогабаритных показателей УСЭ;
• выполнение специальных функций (защиты от перегрузок по току, от перенапряжений и его провалов) и других требований и ограничений.

Для летательных аппаратов (ЛА) задача обеспечения КС как самостоятельная не ставится, однако она представляет собой главную часть процесса разработки. При проектировании ЛА в исходных данных особое место непременно занимает априори А[п] в виде многокомпонентной совокупности физических связей параметров отдельных бортовых систем, характеристик конструкции, орбиты полета и программы работы аппарата:

${А}^{\left[п\right]}=\{{{А}_1}^{\left[п\right]},{{А}_2}^{\left[п\right]},\dots ,{{А}_n}^{\left[п\right]}\}$,   (1)

где n – количество компонент множества А ^[п] , n > 20.

При учете зависимости параметров всех систем от параметров орбиты, программы работы и конструкции ЛА задача обеспечения КС на строго оптимальном уровне становится практически невозможной. В этой связи речь идет о рациональном проектировании, когда в процессе разработки проекта ЛА достаточно глубоко анализируются его физические связи и реализуются хотя бы некоторые оптимальные или близкие к оптимальным сочетания параметров и характеристик всего оборудования летательного аппарата (рис.1). При рассмотрении ЭТК сохраняются требования по физическим параметрам, характеристикам оборудования, входящего в состав ЭТК.

 

Рис. 1. Бортовое оборудование летательного аппарата.

Fig. 1. The aircraft onboard equipment.

 

Конструктивная совместимость ЭТК может рассматриваться как частный вид ТС лишь чисто условно, так как она интегрирует в себе ряд более частных видов совместимости техники и представляет собой важнейшую часть выполняемых проектно-конструктор­ских задач. Более того, КС – потенциально огромное поле для творческой деятельности, в результате которой могут появляться принципиально новые, конкурентоспособные образцы техники.

Эксплуатационная совместимость (ЭксС) по ГОСТ 22315-77 – это согласованность технических характеристик, определяющих сохраняемость свойств техники в условиях эксплуатации. В работе [3] под ЭксС понимается свойство технических средств, обес­печивающее согласованность эксплуатационных параметров этих средств при совместном применении в определенных условиях эксплуатации. Первое из этих определений представляется несколько неоднозначным и усложненным, второе – достаточно конкретным, но не совсем корректным. Дело в том, что технические характеристики изделий подразделяются на тактико-технические (ТТХ) и эксплуатационно-технические (ЭТХ) [6]. При этом ТТХ (точность, мощность, скорость, чувствительность и т. п.) непосредственно связаны с целевым назначением ЭТК, а ЭТХ (надежность, эксплуатационная технологичность, готовность и др.) – с процессом поддержания ТТХ на должном уровне в течение всего срока службы.

Следовательно, в первом определении ЭксС речь идет о согласованности ЭТХ для сохраняемости ТТХ. Во втором определении указывается, что ЭксС – свойство ЭТК обеспечивать согласованность их ЭТХ при совместном использовании. Здесь ТТХ непосредственно не упоминаются, однако любое изделие не может не иметь ТТХ, так как они являются целевыми характеристиками. Устойчивость этих характеристик в пространстве и во времени обеспечивается ЭТХ. Надежность относится к основным ЭТХ. Если в начале становления теории надежности этим понятием охватывалась только безотказность, то в современном понимании к надежности относят еще долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность [4].

Эксплуатационная технологичность (ЭТ) – совокупность свойств конструкции ЭТК, определяющих их приспособленность к проведению мероприятий по переводу в заданное состояние и к ТО. ЭТ характеризуется пятью параметрами: доступностью, контроле пригодностью, взаимозаменяемостью, обеспеченностью ЗИП, простотой снятия при заводских работах (сборочно-монтажных и испытательных) и наземной эксплуатации. Готовность – это свойство ЭТК, заключающееся в его приспособленности к переводу из любого исходного состояния в состояние непосредственного использования по назначению. Эта ЭТХ является производной от совокупности свойств ЭТК, определяющих его ЭТ и надежность. ЭТК с более высокими ЭТ и надежностью при прочих равных условиях имеют и более высокую готовность. Достаточная согласованность указанных выше ЭТХ позволяет обеспечить необходимую сохраняемость ТТХ при эксплуатации ЭТК.

Тепловая совместимость (ТпС) сводится к способности ЭТК функционировать при воздействии штатных температур и тепловых потоков в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством и не создавать недо­пустимые тепловые воздействия на другие технические устройства. Явно наблюдается даже своего рода парадокс: все новые достижения микроэлектроники порождают, как правило, новые проблемы ТпС. Эта ситуация объясняется взаимной непропорциональностью уменьшения габаритов аппаратуры и снижения ее электропотребления. Если, например, габариты уменьшаются в 5 раз, то при этом электропотребление снижается лишь в 3 раза. В итоге постоянно растет удельная тепловая нагрузка аппаратуры, чем формируется тенденция к повышению температуры конструкции, большинство элементов которой имеют температурно-зависимые свойства.

В общем случае перенос тепловой энергии Ф_i от изотермической поверхности с температурой θ_i к изотермической поверхности с температурой θ_j описывается выражением:

${\theta }_i–{\theta }_j=F_{ij}{Ф}_i\text{\hspace{1em}или\hspace{1em}}{\theta }_j–{\theta }_i=F_{ji}{Ф}_j$,    (2)

где θ_i – θ_j , θ_j – θ_i – температурный напор; F_tj – коэффициент пропорциональности, или тепловой коэффициент (F_ij=F_ji), причем структура этого коэффициента зависит от реализованных в каждом конкретном случае способов переноса тепловой энергии (кондукции, конвекции, радиации).

Теплообмен кондукцией (теплопроводностью) осуществляется по закону Фурье, согласно которому для некоторой изотермической поверхности:

${Ф}_j^y=\frac{\lambda \cdot d\theta }{d\mathcal{l}}$,   (3)

где Ф_j^y – количество тепловой энергии, проходящей через единицу площади S изотермической поверхности (плотность теплового потока), Вт/м²; λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м  К).

Конвективный теплообмен связан с движением газообразной среды, соприкасающейся с твердым телом (элементом конструкции). Конвекция заключается в совместном действии явлений теплопроводности среды, запасания энергии в ней и ее перемешивания. Теплообмен конвекцией описывается законом Ньютона–Рихмана, согласно которому прямой или обратный тепловой поток, Вт, между поверхностью твердого тела и средой

${Ф}_{ic}={\alpha }_{ic}({\theta }_i-{\theta }_c)\cdot S_i$,   (4)

где α_i – коэффициент теплообмена конвекцией между поверхностью тела и средой, Вт/(м² ·К); θ_i и θ_c – температуры поверхности тела и среды; S_i. – площадь поверхности теплообмена тела, м².

Радиационный теплообмен осуществляется электро­магнитными волнами в инфракрасном диапазоне. По закону Стефана–Больцмана, Вт, энергия, излучаемая в пространство

$Ф=\epsilon \cdot {С}_0\cdot S\cdot {\left(\frac{\theta }{100}\right)}^4$,    (5)

где ε – степень черноты тела; С₀=5,67 Вт/(м² ·К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела; S – площадь излучающей поверхности, м²; θ – температура тела.

Для полного анализа температурного режима всего ЛА необходимо иметь систему уравнений, состоящую из уравнения для аппарата в целом и уравнений для всех бортовых элементов. Такая система уравнений получается чрезвычайно громоздкой даже для малых ЛА. Поэтому обычно используют приближенные методы анализа и расчета. Наиболее распространенным приближенным подходом является рассмотрение только установившихся температурных процессов для различных режимов работы ЛА. Конечная цель такого подхода состоит в получении достаточного количества точек температурных режимов, позволяющего аппроксимировать весь тепловой режим аппарата.

Физическая причина повышенной сложности обеспечения ТпС заключается в одновременном проявлении всех трех видов теплообмена между многими элементами аппарата, т. е. в их многократной суперпозиции. Большое, а нередко и решающее влияние в обеспечении ТпС ЛА имеет компоновка бортовых приборов и узлов. При этом ТпС расположенных рядом тепловыделяющих и теплочувствительных элементов достигается за счет установки тепловых экранов или их разнесением на несущей конструкции.

Полученная точность такого приближенного подхода позволяет довольно успешно выполнять проектно-конструкторские разработки ЛА. Однако окончательные выводы об уровне достаточности ТпС делаются с учетом результатов экспериментальных проверок тепловых режимов. С этой целью изготавливается и экспериментально отрабатывается специальный тепловой макет аппарата.

Размерная совместимость (РзС) предусматривает взаимное назначение для сопрягаемых частей изделия габаритных и присоединительных размеров, а также совмещаемых электрических параметров в пределах предусмотренных допусков [1]. Производственные допуски, установленные на изделие, ограничивают поле рассеяния параметров, вызванное производственными погрешностями при нормальных условиях эксплуатации. Обычно принимают гауссовский закон распределения случайных отклонений параметров элементов и систем.

Для расчета размерных цепей (РЦ) и замыкающих звеньев (ЗЗ) используют минимаксный и вероятностный методы. При каждом из них возможны два способа достижения заданной точности ЗЗ:

• способ взаимозаменяемости, при котором необходимая точность достигается без подбора, регулировки или подгонки составляющих звеньев (СЗ);
• способ компенсации, при котором заданная точность обеспечивается за счет введения компенсирующего звена.

Из всего изложенного следует, что процесс обеспечения РзС носит аналитический характер. Этот вид ТС в настоящее время проходит через очередной период методической реорганизации в связи с внедрением международных стандартов.

Энергетическая совместимость (ЭнС) предусматривает создание такой машины и органов управления, чтобы и машина, и оператор соответствовали в отношении требуемых для управления силы, мощности, скорости, точности и темпа управляющих действий, оптимальной загрузки оператора и разделения функций между ними. Опыт создания и эксплуатации показывает, что наиболее часто приходится отдавать предпочтение принципу последовательных действий с оценкой упорядоченности расположения органов управления и индикации на пульте управления.

Информационная совместимость (ИС) требует, чтобы была создана такая информационная модель (ИМ), адекватная машине, которая соответствовала бы возможностям оператора по приему и переработке всего потока закодированной информации и эффективному приложению управляющих воздействий к машине. Прием информации оператором необходимо рассматривать как процесс формирования образа, под которым понимается субъективное отражение в сознании человека, свойств действующего на него объекта. Формирование образа является поэтапным процессом, состоящим из трех стадий: обнаружения, различения и опознания. Длительность этих стадий зависит от сложности принимаемого сигнала. В зависимости от модальности поступающего сигнала используются разные виды анализаторов. Наибольшее значение для деятельности оператора имеет зрительный анализатор, за ним следуют слуховой и тактильный (осязательный) анализаторы. Участие других анализаторов в деятельности оператора невелико.

Проблема обеспечения технической совместимости многокомпонентна и сложна, требует от создателей этой системы глубокого и комплексного технического знания, широкого инженерного кругозора и имеет большой простор для научной деятельности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом исследование ТС инженерами и учеными приобретает все большую актуальность для решения проблемы совершенствования современной техники. В статье показаны масштабы и актуальность этой проблемы лишь на узловых моментах обеспечения некоторых видов ТС, поскольку более подробное их рассмотрение проблематично даже для монографии, а для статьи невозможно, ведь число исследуемых видов ТС превышает 40 разновидностей.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Д.А. Ерошкин – поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; А.Е. Чернов – редактирование текста рукописи; Р.А. Малеев – редактирование текста рукописи, создание изображений; А.А. Лавриков – экспертная оценка, утверждение финальной версии. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. D.A. Eroshkin – search for publications, writing the text of the manuscript; A.Y. Chernov – editing the text of the manuscript; R.A. Maleev – editing the text of the manuscript, creating images; A.A. Lavrikov – expert opinion, approval of the final version. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Alekcander E. Chernov

Peter the Great Military Academy of Strategic Rocket Forces

Email: chae-1966@yandex.ru

Associate Professor, Dr. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Moscow

Ruslan A. Maleev

Moscow Polytechnic University

Email: 19rusmal@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3430-6406
SPIN-code: 7801-3294

Professor, Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Moscow

Dmitry A. Eroshkin

Peter the Great Military Academy of Strategic Rocket Forces

Author for correspondence.
Email: Demka212010@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5052-2761
SPIN-code: 4514-5592

Adjunct of Department

Russian Federation, Moscow

Alexey A. Lavrikov

Moscow Polytechnic University

Email: near2@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9097-2254
SPIN-code: 6829-1350

Associate Professor, Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files