Климатические факторы

Области применения аппаратуры. Классификация и категории исполнения аппаратуры. Понятие о внешних воздействующих факторах.

Проектирование РЭС с учетом внешних воздействующих факторов (ВВФ)

Для РТС ПИ применяется критерий эффективности

где I_eff – количество информации, приходящееся на единицу стоимости; – количество информации, передаваемой от отправителя получателю за некоторый интервал времени; – стоимость системы.

Для других систем (радиолокационных, радионавигационных и др.) используется критерий эффективности:

где – результат использования системы по назначению.

Число допускает широкое толкование. Так, для средств дискретного применения в течение операций верно, что, а для средств непрерывного применения, где – результат использования РТС в единицу времени; – время работы РТС.

Вероятностная оценка эффективности позволяет прогнозировать результаты использования РЭС, например:

где – потенциальный результат, полученный в идеальных (расчетных) условиях; – вероятность того, что эти условия выполнятся с учетом мешающих факторов.

Особое место среди критериев эффективности РЭС занимает стоимостный критерий (критерий цена – качество).

Благодаря своим особым свойствам стоимость может использоваться как интегральный критерий эффективности РЭС. В этом качестве критерий имеет следующие свойства:

1) Стоимость является монотонной функцией от любого частного показателя эффективности РЭС, чем косвенно определяется способность РЭС к достижению цели;

2) Стоимостный критерий универсален: он одинаково объективно относится к физически разнородным объектам. Например, для приемника и антенны, входящих в состав РЭС и являющихся физически разными устройствами, практически нет другой сопоставимой оценки, кроме стоимости. Сравнение по массе или габаритам в большинстве случаев лишено смысла;

3) Стоимость в определенном смысле аддитивна, что по сути дела является следствием второго свойства;

4) Стоимостный критерий хорошо изучен, имеет многолетнюю историю применения.

Радиотехнические изделия нашли применение в космической технике, в телевидении, в самолетостроении, в аппаратах управления спутниками и космическими кораблями, в устройствах исследования физиологических свойств организма человека, для автоматического управления производственными процессами в самых различных отраслях промышленности, в бытовой технике и т. д.

Под внешними воздействующими факторами (ВВФ) будем понимать явления, процесс или среду, внешние по отношению к изделию или его составным частям, которые вызывают или могут вызвать ограничение или потерю работоспособного состояния изделия в процессе эксплуатации [2].

- механические ВВФ (шум, механический удар, гидравлический удар, аэродинамический удар, звуковой удар, ударная волна, сейсмическое воздействие, воздействие землетрясения, сейсмический удар, качка, крен, дифферент, механические колебания, вибрация, случайные колебания (вибрация), гармонические колебания (вибрация), механическое давление, статическое давление, динамическое давление);

- климатические ВВФ (атмосферные осадки, атмосферные выпадающие осадки, атмосферные конденсированные осадки, морской туман, статическая (ий) пыль (песок), динамическая (ий) пыль (песок), ветер, коррозионно-активный агент морской воды, коррозионно-активный агент почвенно-грунтовой среды, коррозионно-активный агент окружающей среды, тепловой удар, атмосферное давление, интегральное солнечное излучение);

- биологические ВВФ – Организмы или их сообщества, оказывающие внешние воздействия и вызывающие нарушение исправного и работоспособного состояния изделия (бактерия, плесневый гриб, обрастатель);

- ВВФ специальных сред. Специальные среды – неорганические и органические соединения, масла, смазки, растворители, топлива, рабочие растворы, рабочие тела, внешние по отношению к изделию, которые вызывают или могут вызвать ограничением или потерю работоспособного состоянии изделия в процессе эксплуатации или хранения (среда заполнения, рабочее тело, испытательная среда, рабочий раствор, радиоактивный аэрозоль);

- термические ВВФ (тепловой удар, радиационное разогревание, электрическое разогревание, ультразвуковое разогревание, аэродинамический нагрев);

- ВВФ электромагнитных полей (лазерное излучение)

Различают устойчивость, прочность и стойкость к воздействию ВВФ.

Устойчивость изделия к ВВФ – свойство изделия сохранять работоспособное состояние во время действия на него определенного ВВФ в пределах заданных значений.

Прочность изделия к ВВФ – свойство изделия сохранять работоспособное состояние после воздействия на него определенного ВВФ в пределах заданных значений.

Стойкость изделия к ВВФ – свойство изделия сохранять работоспособное состояние во время и после воздействия на изделие определенного ВВФ в течение всего срока службы в пределах заданных значений.

Условия эксплуатации различных типов радиоизделий и аппаратуры на их основе существенно зависят от климатических особенностей местности, где они будут работать, от рода объекта (корабль, самолет, спутник и т. д.), на котором они установлены, и других причин.

В соответствии с принятой классификацией в таблице 3.1 приведены климатические районы.

Климатические исполнения изделий	Обозначения*
буквенные	цифровые
русские	латинские
Изделия, предназначенные для эксплуатации на суше, реках, озерах
Для макроклиматического района с умеренным климатом**	У	(N)
Для макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом**	УХЛ****	(NF)
Для макроклиматического района с влажным тропическим климатом***	ТВ	(ТН)
Для макроклиматического района с сухим тропическим климатом***	ТС	(ТА)
Для макроклиматических районов как с сухим, так и с влажным тропическим климатом***	Т	(Т)
Для всех макроклиматических районов на суше, кроме макроклиматического района с очень холодным климатом (общеклиматическое исполнение)	О	(U)
Изделия, предназначенные для эксплуатации в макроклиматических районах с морским климатом
Для макроклиматического района с умеренно-холодным морским климатом	М	(М)
Для макроклиматического района с тропическим морским климатом, в том числе для судов каботажного плавания или иных, предназначенных для плавания только в этом районе	ТМ	(МТ)
Для макроклиматических районов как с умеренно-холодным, так и тропическим морским климатом, в том числе для судов неограниченного района плавания	ОМ	(MU)
Изделия, предназначенные для эксплуатации во всех макроклиматических районах на суше и на море, кроме макроклиматического района с очень холодным климатом (всеклиматическое исполнение)	В	(W)

* В скобках приведены обозначения, ранее принятые в технической документации некоторых страна СЭВ.

** Изделия в исполнениях У и УХЛ могут эксплуатироваться в теплом влажном, жарком сухом и очень жарком сухом климатических районах по ГОСТ 16350, в которых средняя из ежегодных абсолютных максимумов температура воздуха выше 40°С и (или) сочетание температуры, равной или выше 20°С, и относительной влажности, равной или выше 80%, наблюдается более 12 ч в сутки за непрерывный период более двух месяцев в году.

Конкретные типы или группы экспортируемых или других изделий для макроклиматического подрайона с теплым умеренным климатом допускается изготовлять в климатическом исполнении ТУ, если технико-экономически обоснованы конструктивные отличия изделий этого исполнения от изделий климатического исполнения У.

*** Указанные исполнения могут быть обозначены термином «тропическое исполнение».

**** Если основным назначением изделий является эксплуатация в районе с холодным климатом и экономически нецелесообразно их использование вне пределов этого района, вместо обозначения УХЛ рекомендуется обозначение ХЛ (F).

Изделия предназначают для эксплуатации в одном или нескольких макроклиматических районах и изготавливают в климатических исполнениях, указанных в таблице 13.1. Несколько макроклиматических районов могут быть объединены в группу макроклиматических районов (например, УХЛ, Т).

Таким образом, каждое изделие может иметь климатическое исполнение, соответствующее указанным районам и обозначаемое сокращенно теми же буквами, какими обозначен район.

1. как при влажном, так и при сухом тропическом климате, то такое исполнение обозначают буквой Т;

2. исполнение, допускающее работу во всех климатических районах на суше, обозначают буквой О;

4. для всех районов на суше и на море – буквой В.

Разделение поверхности земного шара на климатические районы производят по следующим признакам:

а) к районам с умеренным климатом относят районы, в которых температура воздуха лежит в пределах от +40 до минус 45 ºС;

б) к районам с холодным климатом относят районы, в которых минимальная температура ниже минус 45 ºС;

К макроклиматическому району с антарктическим холодным климатом относятся районы, где средняя минимальная температура ниже минус 60 ºС (Центральная Антарктида).

в) районы, где температура больше 20 ºС в сочетании с высокой относительной влажностью (более 80%) наблюдается не менее 12 ч в сутки непрерывно не менее двух месяцев подряд, относят к районам с влажным тропическим климатом.

Если температура воздуха превышает +40 ºС, а влажность ниже норм, указанных в предыдущем пункте, то такой климат называют тропическим сухим;

г) к районам с умеренно холодным морским климатом относят моря и океаны, расположенные севернее 30° северной-широты и южнее 30° южной широты, при условии, что температура в них не опускается ниже минус 45 ºС;

д) в морских районах, расположенных между 30° северной широты и 30° южной широты, климат тропический морской.

Если блоки (части) аппаратуры относятся к различным классификационным группам, то к ним предъявляют требования стойкости, прочности и устойчивости к ВВФ по принадлежности блока (части) аппаратуры соответствующей классификационной группе.

Макроклиматические районы земного шара приведены на карте на рисунке 13.1.

Рисунок 13.1 – Макроклиматические районы земного шара

Типы климатов земного шара, их обозначения и критерии разграничения

	Обозначение	Критерии разграничения
Тип климата	Русское	Английское	Среднее значение из ежегодных абсолютных минимумов температуры воздуха, °С	Среднее значение из ежегодных абсолютных максимумов температуры воздуха, °С	Сочетание значений среднегодовая относительная влажность - среднегодовая температура, номер классификационной группы	Географическая координата, градусы широты
Антарктический холодный	АХл	АС	Ниже минус 60	-	-	-
Экстремальный холодный	ЭХл	ЕС	Ниже минус 50 до минус 60 включ.	-	-	-
Холодный	Хл	С	Ниже минус 45 до минус 50 включ.	-	-	-
Холодный умеренный	ХлУ	СТ	Ниже минус 25 до минус 45 включ.	-	-	-
Теплый умеренный	ТпУ	WT	минус 25 и выше	-		-
Теплый сухой умеренный	ТпСУ	WDrT	Ниже минус 10 до минус 25 включ.	40 и ниже	4 и 5	-
Теплый переходный	ТпПр	WTs	минус 10 и выше	45 и ниже до 40	3а и 4	-
Мягкий теплый сухой	МгТпС	WWDr	минус 10 и выше	45 и ниже до 40		-
Экстремальный теплый сухой	ЭТпС	EWDr	-	Выше 45		-
Теплый влажный	ТпВ	WDa	-	-		-
Теплый влажный равномерный	ТпВР	WDaE	-	-		-
Холодный морской	ХлМ	CM	Ниже минус 30	-	-	-
Умеренный морской	УМ	ТМ	минус 30 и выше	-	-	30 и более
Тропический морской	ТМ	TrM	-	-	-	Менее 30

В соответствии условиями эксплуатации аппаратуры и видом помещения или укрытия, в котором она расположена, аппаратуру подразделяют на пять категорий.

Аппаратуру (изделия) в исполнениях, указанных в таблице 13.1 в зависимости от места размещения при эксплуатации в воздушной среде на высотах до 4300 м (в том числе под землей и под водой) изготавливают по категориям размещения изделий, указанным в таблице 13.3.

Укрупненные категории	Дополнительные категории
Характеристика	Обозначение	Характеристика	Обозначение (по десятичной системе)
Для эксплуатации на открытом воздухе (воздействие совокупности климатических факторов, характерных для данного макроклиматического района)		Для хранения в процессе эксплуатации в помещениях категории 4 и работы как в условиях категории 4, так и (кратковременно) в других условиях, в том числе на открытом воздухе	1.1
Для эксплуатации под навесом или в помещениях (объемах), где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе и имеется сравнительно свободный доступ наружного воздуха, например, в палатках, кузовах, прицепах, металлических помещениях без теплоизоляции, а также в оболочке комплектного изделия категории 1 (отсутствие прямого воздействия солнечного излучения и атмосферных осадков)		Для эксплуатации в качестве встроенных элементов внутри комплектных изделий категорий 1; 1.1; 2, конструкция которых исключает возможность конденсации влаги на встроенных элементах (например, внутри радиоэлектронной аппаратуры)	2.1
Для эксплуатации в закрытых помещениях (объемах) с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха и воздействие песка и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе, например, в металлических с теплоизоляцией, каменных, бетонных, деревянных помещениях (отсутствие воздействия атмосферных осадков, прямого солнечного излучения; существенное уменьшение ветра; существенное уменьшение или отсутствие воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги)		Для эксплуатации в нерегулярно отапливаемых помещениях (объемах)	3.1
Для эксплуатации в помещениях (объемах) с искусственно регулируемыми климатическими условиями, например, в закрытых отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых производственных и других, в том числе хорошо вентилируемых подземных помещениях (отсутствие воздействия прямого солнечного излучения, атмосферных осадков, ветра, песка и пыли наружного воздуха; отсутствие или существенное уменьшение воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги)		Для эксплуатации в помещениях с кондиционированным или частично кондиционированным воздухом	4.1
Для эксплуатации в лабораторных, капитальных жилых и других подобного типа помещениях	4.2
Для эксплуатации в помещениях (объемах) с повышенной влажностью (например, в неотапливаемых и невентилируемых подземных помещениях, в том числе шахтах, подвалах, в почве, в таких судовых, корабельных и других помещениях, в которых возможно длительное наличие воды или частая конденсация влаги на стенах и потолке, в частности, в некоторых трюмах, в некоторых цехах текстильных, гидрометаллургических производств и т.п.).		Для эксплуатации в качестве встроенных элементов внутри комплектных изделий категорий 5, конструкция которых исключает возможность конденсации влаги на встроенных элементах (например, внутри радиоэлектронной аппаратуры)	5.1

Для изделий, предназначенных для эксплуатации только в невоздушной среде и (или) при атмосферном давлении менее 53,3 кПа (400 мм рт. ст.), в том числе на высотах более 4300 м, понятие категории изделий не применяют для всех стадий эксплуатации. Если одно и то же изделие предназначено для эксплуатации как в воздушной среде на высотах до 4300 м, так и в невоздушной среде и (или) при атмосферном давлении менее 53,3 кПа (400 мм рт. ст.), в том числе на высотах более 4300 м, то понятие категории изделий применяют только для стадии эксплуатации в воздушной среде на высотах до 4300 м.

Сочетание исполнения, категории и группы по пониженному давлению называют «вид климатического исполнения» (например, вид климатического исполнения УХЛ4 или вид климатического исполнения УХЛ2О4а). В обозначение вида климатического исполнения изделия добавляют обозначение типа атмосферы, для эксплуатации в которой предназначено изделие, если это указано в стандартах или технических условиях на изделие.

К климатическим факторам, учитываемым при проектировании, практически любой аппаратуры относятся температура и влажность воздуха. При эксплуатации аппаратуры значения температуры и влажности воздуха могут изменяться в широких пределах. При конструировании аппаратуры необходимо учитывать влияние внешних факторов.

Например, при эксплуатации аппаратуры в арктических и антарктических условиях температура воздуха может понижаться до минус (70 … 80) °С, а при подъеме на высоту более 10 км – до минус 56 °С.

Понижение температуры оказывает влияние на работу электромеханических устройств, так как значительные перепады ее (например, от + 20 до минус 60 °С) приводят к изменениям зазоров и натягов. Одновременно происходит сгущение смазочных веществ, что вызывает увеличение моментов и сил трения в подвижных устройствах. При повышенных температурах может происходить выделение в воздух различных составляющих смазок и осаждение их на стенках приборов, оптических покрытиях. При понижении температуры окружающего воздуха меняются и параметры радиоэлементов.

Аппаратура должна быть сконструирована так, чтобы при заданной отрицательной температуре ее параметры сохранялись в заранее установленных пределах. Такую аппаратуру называют холодоустойчивой.

При работе радиоаппаратуры в районах с тропическим климатом температура воздуха может повышаться до 45 °, а в отдельных случаях до 55 … 60 °С. В закрытых помещениях, находящихся под непосредственным воздействием солнца (в самолете, который стоит на земле), температура воздуха может достигать 70 °С.

Обшивка лобовой части крыла самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью, может нагреваться в результате трения о встречный поток воздуха до 150 … 200 °С, а расположенная за ней аппаратура будет работать при температуре порядка 100 °С и выше.

Повышение температуры окружающего воздуха вызывает увеличение сопротивления проводниковых материалов и ухудшение параметров изоляционных материалов (особенно органических). Происходящее при этом уменьшение сопротивления изоляции приводит к увеличению потерь, к появлению утечек в схемах, к уменьшению добротности контуров и к другим нежелательным явлениям. Одновременно происходит уменьшение электрической прочности диэлектриков, что может приводить к пробоям в схеме и полному отказу аппаратуры. При изменении температуры окружающей среды меняется диэлектрическая проницаемость диэлектриков. Если диэлектрик, у которого это изменение велико, применить в конденсаторе, образующем вместе с катушкой резонансный контур, то при изменении температуры будет меняться частота настройки контура. При этом изменится выходной уровень передатчика, где этот контур используется, что может привести к потере связи.

При длительной работе радиоизделий в условиях повышенной температуры могут появиться необратимые изменения параметров изоляционных материалов. При наличии в конструкции материалов с различными коэффициентами линейного расширения происходит изменение зазоров и натягов, что также может вызвать изменение параметров радиоаппаратуры.

Свойство аппаратуры сохранять стабильность параметров в определенных пределах при повышении температуры называют теплоустойчивостью.

Количество влаги, содержащейся в воздухе при различных климатических условиях, различно. В областях умеренного климата относительная влажность воздуха составляет 65 … 80 %; в пустынях она может уменьшаться до 5 … 10%, а в тропиках – достигать 100% при температуре воздуха до +35°С.

Понижение температуры сопровождается уменьшением количества паров воды в воздухе, поэтому суточные колебания температуры могут сопровождаться выпадением влаги на поверхности и внутри аппаратуры. Подобные явления могут произойти при попадании самолета в насыщенный влагой воздух (туман), если температура аппарата ниже температуры воздуха.

При воздействии воздуха с высоким содержанием водяных паров, особенно при повышенной температуре, влага проникает внутрь изоляционных материалов через микротрещины или благодаря явлению диффузии. Так как проводимость воды значительно выше проводимости диэлектриков, то воздействие влаги приводит к резкому уменьшению сопротивления изоляции, росту потерь в диэлектрике и изменению относительной диэлектрической проницаемости. Воздействуя на металлы, влага вызывает появление электрохимической коррозии металлов.

Аппаратуру, которая сохраняет параметры в заранее установленных пределах при работе в среде с повышенной относительной влажностью, называют влагоустойчивой.

Некоторые категории аппаратуры (полевая переносная) работают при непосредственном воздействии атмосферных осадков. Кроме того, в отдельных случаях возможна работа аппаратуры в воде.

Все категории аппаратуры, особенно устанавливаемой на подвижных объектах, работают при интенсивном воздействии пыли, что часто приводит к нарушениям работы механических устройств, уменьшению сопротивления изоляции и нарушению нормального теплового режима.

При подъеме на значительную высоту происходит уменьшение атмосферного давления. График этого изменения показан на рисунке 13.2.

Понижение давления воздуха сопровождается уменьшением его электрической прочности, что в ряде случаев может привести к пробою воздушных промежутков. Кроме того, при пониженном давлении ухудшается отвод теплоты от нагревающих тел, в результате чего их температура повышается.

Рисунок 13.2 – Зависимость атмосферного давления от высоты

Следует иметь в виду, что условия, в которых находятся радиодетали, могут отличаться от условий, в которых работает вся аппаратура. Так, из-за выделяемой в аппарате теплоты температура внутри кожуха может значительно превышать окружающую. При наличии герметизации или уплотнения кожуха влажность воздуха около деталей может быть значительно ниже влажности окружающего воздуха и т.д.

Чтобы обеспечить надежную работу аппарата, при конструировании необходимо предусмотреть специальные меры защиты.

Комплекс воздействий и значения воздействующих факторов кроме климатических условий сильно зависят от характеристик объекта, на котором установлена аппаратура, и даже от конкретного места установки. Так, факторы, действующие на аппаратуру, установленную на мачте корабля, отличаются от тех, которые действуют на аппаратуру, установленную в его радиорубке.

В настоящее время разработана классификация радиоаппаратуры в зависимости от характера объекта и места установки аппаратуры на нем, которая приводится в специальных справочниках и нормалях. Пользуясь этими документами, конструктор может определить те конкретные условия, в которых будет эксплуатироваться проектируемое изделие.

За нормальные значения факторов внешней среды при испытаниях изделий (нормальные климатические условия испытаний) принимают следующие:

атмосферное давление 84,0 … 106,7 кПа (630 … 800 мм рт. ст.).