Внешние воздействия при эксплуатации радиоэлектронной техники

Внешние воздействия:

климатические, биологические, космические условия и механические воздействия

Климатические воздействия

Климатические воздействия при эксплуатации РЭТ подразделяют на естественные и искусственные.

Естест­венные климатические воздействия определяются погод­ными условиями, включающими температуру, влаж­ность, ветер, атмосферное давление и др.

Искусственные климатические воздействия создаются вследствие функ­ционирования РЭТ и расположенных рядом объектов.

Формирование естественных климатических воздей­ствий.

При составлении технических условий на РЭТ, а также программы и методики испытаний естественные климатические воздействия, обычно называемые клима­том, учитывают в виде усредненных климатических фак­торов в тех или иных частях земной поверхности за продолжительный период времени.

Формирование кли­мата на определенной территории происходит под влия­нием:

- радиационного процесса,

- циркуляции атмосферы,

- влагооборота,

определяющих тепловой и водный баланс поверхности Земли в природной географической среде.

Радиационный процесс характеризуется распределением радиа­ционного баланса, учитывающего приход/расход энергии солнеч­ной радиации.

Отношение отраженной энергии солнечной ра­диации к падающей зависит от местных физико-географических условий земной поверх­ности, т.е. от близости моря, направлений морских течений, горных хребтов, высоты местности и т.п..

Суточный ход и часовые суммы солнечной радиации зависят от места расположения климатической области и характерных для нее погодных условий.

Циркуляция атмосферы - это пе­ремещение воздушных масс (течений с различным содержанием теплоты и влаги), а также изменение их свойств, сопровождающееся образо­ванием поверхностей раздела между разными воздушными массами. Ос­новные причины общей циркуляции атмосферы - неодинаковое нагрева­ние Солнцем поверхности Земного шара и вращение Земли. Кроме того, на общую циркуляцию атмосферы влияет изменение ландшаф­та поверхности Земли, вызывающее постоянно действующие турбу­лентные потоки отраженного тепла, которые приводят к изменению температуры и плотности воздуха в тропосфере.

Влагооборот - это ряд последовательных физических процессов, происходящих с водой (испарение, конденсация, образование обла­ков, выпадение осадков), а также перенос влаги. Влагооборот оп­ределяет континентальность климата и зависит от неравномерности нагревания Солнцем суши и океана, наличия циркуляции воздуш­ных масс и изменения ландшафта. Влагооборот между сушей и океаном называют внешним, а в пределах ограниченной террито­рии - внутренним.

Одним из основных процессов влагооборота является испарение, которое зависит от радиационного баланса (энергетических ресур­сов) и увлажнения поверхности Земли. С увеличением широты ме­стности и снижением солнечной радиации испарение уменьшается.

Климатические факторы, существенно влияющие на РЭТ.

На работу современных РЭТ значительное влияние оказывает температурный режим эксплуатации, важней­шие показатели которого - абсолютные годовые мини­мумы и максимумы температуры.

Основными фактора­ми, определяющими изменение температуры, являются широта местности, степень континентальности и топо­графические условия. Влияние первых двух факторов обусловливает плавное и последовательное изменение температуры. Топографические условия (высота над уровнем моря и форма рельефа) нарушают этот плав­ный ход.

Подводя итог рассмотрению естественных климати­ческих условий, можно сделать вывод, что для различ­ных зон эксплуатации характерны различные сочетание и длительность воздействия климатических факторов. Под влиянием этих факторов в элементах протекают сложные физико-химические процессы, изменяющие их свойства и вызывающие отказы РЭТ. Поэтому при кон­струировании РЭТ разработчику необходимо располагать не только допустимыми значениями воздействующих климатических факторов, при которых гарантируется надежная работа РЭТ, но и наиболее полной информаци­ей об изменении характеристик элементов при воздей­ствии этих факторов.

Из-за наличия в конструкции изделий сопряжений частей из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения определенную опасность для РЭТ представляют резкие колебания тем­пературы окружающей среды.

Опыт эксплуатации показывает, что для РЭТ особен­но опасна повышенная влажность окружающей среды. Это объясняется исключительно агрессивным воздейст­вием паров воды на большинство используемых в РЭТ материалов, приводящим к изменению их электрофизи­ческих свойств и механических характеристик. Для за­щиты от воздействия повышенной влажности элементы РЭТ, как правило, герметизируют, используя органиче­ские полимерные материалы. Производят покрытие ла­ками, эмалями, обволакивание компаундами, литьевое прессование в пластмассу, герметизацию в готовые корпуса.

Биологические воздействия

Биологические воздействия, в которых находятся РЭТ, определяются совокупностью воздействующих биологи­ческих факторов.

Биологический фактор (био­фактор) - это организмы или их сообщества, вызыва­ющие нарушение работоспособного состояния объекта.

Событие, состоящее в выходе какого-либо параметра РЭТ под действием биофактора за границы, указанные в НТД, называют биологическим повреждени­ем (биоповреждением).

Виды биоповреждений.

Анализ биоповреждений по­зволяет выделить четыре их вида (рис. 1.1):

1) механическое разрушение при контакте организмов с РЭТ;

2) ухудшение эксплуатационных параметров;

3) биохими­ческое разрушение;

4) биокоррозия.

Рисунок 1.1 - Классификация биоповреждений

Механическое разрушение РЭТ вызывается в основ­ном макроорганизмами, т. е. организмами, имеющими размеры, сравнимые с габаритами изделий. Макрораз­рушение при контакте может произойти в результате столкновения, прогрызания и уничтожения изделия.

Ухудшение эксплуатационных параметров РЭТ вызы­вается биозагрязнением, биозасорением и биообрастани­ем. Биозагрязнением называют выделения организмов и продукты их жизнедеятельности, воздействие которых в результате смачивания водой или впитывания влаги из воздуха приводит к изменению параметров изделий. Биозасорение РЭТ связано с наличием спор грибов и бак­терий, семян растений, частей мицелия грибов, помета птиц, выделений организмов, отмирающих организмов. Обрастание бактериями, грибами, водорослями, губками, моллюсками и другими организмами поверхностей РЭТ усиливает коррозию металлов.

Биохимическое разрушение - наиболее широко рас­пространенный вид биоповреждений, но вместе с тем и наиболее трудно поддающийся изучению, так как вызы­вается в основном микроорганизмами - любыми организмами, имеющими микроскопические размеры и не видимыми невооруженным глазом. Этот вид разруше­ния разделяют на два подвида: биологическое потребле­ние материалов в процессе питания микроорганизмов и химическое воздействие выделяющихся при этом ве­ществ. Биологическое потребление связано с предвари­тельным химическим разрушением ферментами исходно­го материала иногда только одного компонента (обычно низкомолекулярного соединения, например пластифика­тора, стабилизатора). Такое разрушение открывает путь физико-химической коррозии, приводит к ухудшению термодинамических свойств материала и его механиче­скому разрушению под действием эксплуатационных на­грузок. Химическое действие продуктов обмена повыша­ет агрессивность среды, стимулирует процессы коррозии.

Физико-химическая коррозия на границе материал - организм обусловлена воздействием амино- и органиче­ских кислот, а также продуктов гидролиза. В основе этого вида биоповреждения, называемого биокоррозией, лежат электрохимические процессы коррозии металлов под действием микроорганизмов.

Биофактор как источник биоповреждения. Подавля­ющее большинство (от 50 до 80%) повреждений РЭТ обусловлено воздействием на них микроорганизмов (бак­терий, плесневых грибов и др.). развитие и жизнедея­тельность которых определяются внешними воздейству­ющими факторами: физическими (влажность и темпера­тура среды, давление, радиация и т.д.), химическими (состав и реакция среды, ее окислительно-восстанови­тельные действия), биологическими. Наибольшее влия­ние на активность микроорганизмов оказывают темпе­ратура и влажность.

Исследования в электронной промышленности показали, что 45 % готовых ИС содержат споры плесневых грибов 19 видов. Ис­точниками их являются руки рабочих, технологические среды и воз­дух в помещениях. Зарастание ИС колониями «черной плесени» да­ет 40,7 % брака. Применение горячих операций на начальных ста­диях технологического процесса значительно снижает число колоний. Благоприятное действие оказывает и аэрация воздуха в про­изводственных помещениях.

Космические воздействия

Космические воздействия при эксплуатации радиоэлектронной техники ха­рактеризуются совокупностью следующих факторов:

- электромагнитных и корпускулярных излучений,

- глубо­кого вакуума,

- лучистых тепловых потоков,

- невесомости,

- метеорных частиц,

- магнитных и гравитационных полей планет и звезд и др.

При изучении этих факторов выде­ляют три среды: межзвездную, межпланетную, атмос­феру планет и их спутников. Межзвездная среда состо­ит из межзвездного газа и мельчайших твердых частиц, пыли, заполняющих пространство между звездами в галактиках. Газ почти равномерно перемешан с пылью. Межзвездная среда вблизи Солнца переходит в межпланетную среду, которая заполняет пространство меж­ду планетами Солнечной системы. Межпланетная среда состоит из расширяющегося вещества солнечной коро­ны - ионизированных атомов водорода (около 90%) и атомов гелия (около 9 %).

В 1958 г. были открыты радиационные пояса Земли, которые представляют собой относительно стабильные гигантские области скопления заряженных частиц (электронов, протонов, альфа-частиц и ядер более тяжелых химических элементов) высоких кинетических энер­гий, захваченные и удерживаемые магнитным полем Земли.

К факторам космического пространства наряду с космическими ионизирующими из­лучениями относятся глубокий вакуум, лучистые тепло­вые потоки и невесомость. Эти факторы связаны с на­рушением теплообмена в изделиях и специфическим воздействием вакуума. Их называют термовакуумными.

Механические воздействия

При эксплуатации и транспортировке РЭТ подверга­ются механическим воздействиям:

- вибрационным,

- удар­ным и линейным нагрузкам,

- а также звуковому давле­нию (акустическим шумам).

Это относится как к специ­альным наземным и транс­портным объектам, так и к летательным аппаратам, в которых применяются РЭТ. Уровни вибрационных воз­действий показаны на рис. 1.2. Требования по механи­ческим нагрузкам на РЭТ, работающим в нестационар­ных условиях, например на подвижных объектах, посто­янно ужесточаются.

Вибрация - один из са­мых опасных и наиболее часто встречающихся на практике видов механических воздействий. В общем случае под вибрацией понимают колебания самого изделия или каких-либо частей его кон­струкции.

Вибрации приводят к поломкам конструкции, обрывам проводов и кабелей, нарушению герметичности, к механическим напряжениям и деформациям в РЭТ.

1. Вибрация

2. Вибрация, воз­буждаемая ударом

Рисунок 1.2 - Уровни вибрацион­ных воздействий, которым под­вергаются РЭТ

Наиболее часто вибрационные нагрузки возникают на са­молетах и ракетах. Вибрации зависят от типа летатель­ного аппарата, места расположения РЭТ, способа их монтажа и крепления и обусловлены работой силовой установки управления, а также аэродинамической виб­рацией.

Механическая прочность, не­обходимая для нормального функционирования РЭТ во вре­мя и после воздействия на них различных вибрационных на­грузок, должна быть заложе­на на этапе проектирования изделий. Для этого РЭТ рас­сматривают как механические системы и применяют анали­тические методы расчета их механических характеристик.

Удар.

Ускорения, возникающие при резком измене­нии скорости или направления движения объекта, в котором применяются РЭТ, вызывают механическое воздей­ствие на них в виде удара.

Вследствие удара возникают силы, деформирующие конструктивные элементы изде­лий и приводящие к образованию в них механических напряжений. Последние могут служить причиной разру­шения изделий. Удар, как правило, сопровождается воз­буждением затухающих колебаний, т.е. неустановив­шейся вибрацией на частотах собственных колебаний кон­структивных элементов изделий. Уровни разрушающих усилий возрастают, если элементы конструкции резони­руют на частотах возмущений, вызванных ударом. Если на РЭТ действует серия ударов в виде импульсов, следу­ющих один за другим, то возникающую вибрацию назы­вают тряской.

Акустический шум.

Особый интерес представляют так называемые баллистические волны, образующиеся от артиллерийских или реактивных снарядов, а также от самолетов, пролетающих через рассматриваемую среду со сверхзвуковой скоростью. Некоторые виды вибра­ции также сопровождаются выделением энергии звуко­вой частоты. Это явление принято называть акусти­ческим шумом или акустической вибра­цией.

Выделение энергии колебаний звуковой частоты со­провождается механическими колебаниями частиц сре­ды воздуха, которые приводят к изменению давления по сравнению с атмосферным (статическим). Разность меж­ду статическим давлением и давлением в данной точке звукового поля называется звуковым давлением. Колебательное движение частиц среды при распростра­нении звуковой волны характеризуется также колеба­тельным смещением их от положения покоя. Скорость распространения звуковых волн в воздухе зависит в ос­новном от температуры среды. При нормальном атмосферном давлении р= 101 300 Па и Т=273 К (0°С) скорость звука равна 331 м/с. С по­вышением температуры до 290 К она увеличивается до 340 м/с.

На распространение звуковых волн в атмосфере большое влияние оказывают ее неоднородности. При этом скорость звука зависит не только от температуры воз­духа, но и от его влажности, а также направления и си­лы ветра.

Акустический шум приводит к механическому возбуждению различных конструктивных элементов изде­лия, которые, в свою очередь, по-разному реагируют на звуковую мощность шумового спектра. Под действием энергии колебаний звуковой частоты в электронных лам­пах возникает микрофонный эффект; начинают вибри­ровать реле, отдельные малогабаритные комплектую­щие элементы, объемные проводники.