4.3. Испытания электронной аппаратуры

Испытания электронных систем (ЭС) на воздействие окружающей среды (ОС) призвано оценить (подтвердить) уровень надежности РЭС в условиях их будущей эксплуатации на заданный срок службы. Под испытаниями понимается совокупность всех условий и воздействий, которые оказывают влияние на работу ЭС и их компонентов.

Известно, что в конце разработки ЭС сложно получить и учесть совокупность всех внешних воздействий на ЭС и их поведение при этом. Поэтому расчетные методы оценки надежности ЭС надлежит дополнить испытаниями на воздействие ОС с целью обнаружения и устранения непредвиденных отказов элементов, блоков и систем в целом.

Поводом для испытания ЭС являются требования заказчика с целью:

а) обеспечения работоспособности ЭС в течение требуемого срока службы;

– сокращения материальных и временных затрат на переделки уже сконструированных и изготовленных ЭС;

– сокращения затрат на ремонт ЭС в заданных условиях и на период их эксплуатации;

– недопустимости отказов ЭС в условиях однократного действия (на космических аппаратах и в составе боевых средств поражения целей).

Программа испытаний ЭС всегда ограничена временем и стоимостью. Методика определения требований к испытаниям ЭС, в общем, имеет вид:

– определение графика и сроков испытаний;

– определение требуемого объема бюджета;

– определение основных мероприятий, необходимых на каждом этапе разработки ЭС;

– составление программы, наилучшим образом обеспечивающей выполнение намеченных мероприятий;

– оценка важности каждого вида испытаний;

– составление проекта программы испытаний с учетом параметров ОС и требований заказчика.

При этом рассмотрению подлежат следующие вопросы:

– точность моделирования ОС;

– своевременность получения данных;

– окружающие условия (текущие и экстремальные), влиянию которых подвергаются ЭС;

– объём требуемых испытаний.

Так как различные окружающие условия находятся во взаимодействии, то допустимо объединение воздействий окружающих условий на ЭС в процессе испытаний, так как взаимодействие между окружающими условиями и влияние одного на другое могут служить причиной отказов ЭС. Факторы, основные и в комбинации, воздействия ОС на ЭС приведены в табл. 4.3.1.

Таблица 4.3.1

Основные факторы воздействия ОС	Комбинации факторов воздействия ОС
Температура	Температура и влажность; температура и высота, включая вакуум в космосе; температура, высота и влажность
Вибрация	Вибрация и температура; вибрация и высота; вибрация, высота и температура
Атмосфера после взрыва	Атмосфера после взрыва и влажность; атмосфера после взрыва и высота
Плесень	Плесень и температура; плесень, температура и влажность.
Дождь	Дождь и температура; дождь и солнечная радиация
Ускорения	Ускорения и температура; ускорения, температура и влажность
Уровень радиации	Уровень α – радиации; уровень β – радиации; уровень γ –радиации, уровень радиации в комбинации α–, β– и γ–излучений
Песок	Песок и влажность; песок, соль и влажность

При проведении испытаний ЭС на воздействия ОС должны быть определены следующие направления:

– значимость воздействий ОС на ЭС;

– точные значения воздействий ОС;

– влияние комбинированных воздействий ОС;

– коррекция между моделированием и реальными воздействиями ОС и методы моделирования;

– обработка результатов испытаний;

– техника измерений.

Очевидно, что даже самые полные и лучшим образом запланированные и выполненные испытания могут оказаться бесполезными, если их результаты не будут оценены, истолкованы и использованы соответствующим образом.

Основные виды испытаний ЭС включают:

– испытания на стадии разработки (конструкторские, во время этих испытаний происходит большинство отказов, в результате чего возникает необходимость внесения большого количества изменений в проект и повторения испытаний), они предназначены для проверки правильности проектирования;

– типовые испытания (эти испытания проводятся для установления соответствия изделий требованиям технических условий), их назначение – для подтверждения проектного решения технологии изготовления ЭС в целом;

– приемосдаточные испытания (они частично совпадают с испытаниями на стадии разработки и типовыми), их назначение – убедительное доказательство в том, что принятые ЭС имеют удовлетворительные технические характеристики и способны выдержать допустимые воздействия ОС и обладают требуемым уровнем надежности в условиях будущей эксплуатации;

– контрольные испытания (проводятся регулярно, частично включают цели и задачи, ранее оговоренных испытаний) служат для обеспечения непрерывного выпуска годной продукции.

Всё расширяющиеся границы эксплуатации ЭС во Вселенной требуют расширения видов и экстремальных значений параметров моделирования воздействия ОС на ЭС. В частности, в космосе уровень солнечной радиации существенно выше его уровня в атмосфере Земли, здесь же существенно отличаются такие параметры, как температура (например, на освещенной и затемненной стороне Луны), воздействия космических твердых частиц и др. Поэтому испытания ЭС необходимо бывает проводить как в условиях естественных, так и наведенных факторов.

Факторы, воздействующие на ЭС в естественных условиях ОС, приведены в табл. 4.3.2, а наведенные – в табл. 4.3.3.

Так, испытания на воздействие ускорений проводятся центрифугированием. При этом ускорение, или нагрузка, определяется из формулы

G=1,12rn2·10–5,

(4.3.1)

где g – центробежное ускорение в единицах силы тяжести; r – радиус точки установки изделия, см; а n – число оборотов центрифуги, об/мин. Следует учесть, что градиент ускорения между двумя точками с радиусами r₁ и r₂ определяется по формуле

g=(g2–g1)=1,12n2(r2–r1)·10–5.

(4.3.2)

Таблица 4.3.2

Факторы ОС	Конкретные условия
Давление	Малая высота; большая высота; космос
Температура	Излучение; конвекция
Твердые частицы	Песок и пыль; дождь, град, град с дождем, снег.; насекомые, птицы; космические частицы
Состав атмосферы	Газы; микроскопические частицы (пыль)
Радиация	Солнечная; космическая; ядерная; Ван Алена
Влажность	Влажность; плесень; лед; соляные брызги; туман, облака
Шум	Индустриальный; взрывы; взрывы в космосе
Поля	Электромагнитные; электростатические; гравитационные; магнитные

Таблица. 4.3.3

Факторы ОС	Реакции РЭС
Температура	Самовозбуждение; гальванический контакт
Шум	Чередующиеся разрывы гальванических связей; устойчивые разрывы гальванических связей
Динамические нагрузки	Вибрации; ускорения; удары.
Радиопомехи	Самовозбуждение; наведенные помехи

Испытания на воздействие звукового давления производятся в отражательной камере, а уровень его оценивается из формулы

A=10 lg W–10 lg a+136 дб,

(4.3.3)

где A – уровень звуковой энергии, отнесенный к 0,0002 мкбар, дБ; W – мощность акустического источника, н; а a – общее поглощение, сб (1 сб соотносится как эквивалент поглощения 929 см² совершенно поглощающей поверхности). Общее поглощение a определяется поглощением суммой всех поверхностей ЭС, т. е.

а= kn Sn,

(4.3.4)

где k – коэффициент поглощения, сб/м²; S – площадь поверхности, м²; а i (i=1, 2, …, n) – количество поверхностей изделия.

Испытания ЭС на воздействие радиопомех состоят из двух различных этапов: на чувствительность к помехам испытания на излучения. Первый этап – испытания в сильном поле излучаемой энергии в полосе частот от 0,014 до 10 000 мГц, второй этап проводится с целью измерения энергии, генерируемой во время работы самого испытываемого изделия. Если известна природа помехи, то можно ограничиться измерением квазипиковых либо пиковых её значений и скорректировать ширину полосы прибора:

– для случайной помехи по

Rc=1000 (Δfe)-0,5,

(4.3.5)

– для импульсной помехи по

Ic=1000/Δfe,

(4.3.6)

где R_c – случайный фактор; Δf_e (Гц) – эффективная ширина полосы измерительного прибора; а I_c – импульсный фактор. Квазипиковая величина – усредненное значение пикового сигнала и представляет интерес для определения нижней границы.

Испытания на воздействие дождя в сочетании с солнечным светом – естественное требование, так как многие материалы (ткань, кожа, органика) крайне чувствительны к таким комбинированным воздействиям, ускоряющим ослабление структуры благодаря гниению и разрушению. Теплая влага в тропиках – причина значительных потерь материалов и техники во второй мировой войне. Максимальное количество осадков, которое накапливается в точке наблюдения единичного, но не проливного дождя, связано с его продолжительностью выражением

Q =36,32 t0,5,

(4.3.7)

здесь Q – максимально возможное накопление влаги, см³; а t – его продолжительность, час.

Распределение солнечной радиации по спектру приведено в табл. 39.4.

Таблица 4.3.4

Вид радиации	Длина волны,	Относительная мощность, %
Ультрафиолетовые и χ-лучи	1÷2000	0,2
Ультрафиолетовые	2 000÷3 800	7,8
Видимые	3 800÷7 000	41,0
Инфракрасные	7 000÷10 000	22,0
Инфракрасные	10 000÷20 000	23,0
Инфракрасные	20 000÷100 000	6,0

Величина солнечной постоянной составляет ≈1,4 квт/м², но на уровне океана она ≈1,0 квт/м² и уменьшается пропорционально косинусу угла солнечного зенита в определяемое время года и дня. Длина волны поглощения солнечной радиации с высотой над уровнем моря варьируется (табл. 4.3.5).

Таблица 4.3.5

Высота, м	Длина волны,	Поглощение, относительное, %
0	<2 800	100
0	2 000÷3 800	50
0	>3 800	0
30 000	<2 000	100
30 000	2 000÷3 000	50
30 000	3 000÷3 800	<25
30 000	>3 800	0
91 000	<1 000	1 000
91 000	1 000÷1 800	50
91 000	>1 800	0
>180 000	1÷10 000	0

Главная трудность при моделировании солнечной радиации для космоса состоит в необходимости испытания ЭС в сочетании с вакуумом на одном и том же оборудовании.

Для ЭС морского базирования или на берегу моря следует учитывать воздействие соли и тумана. От солевых отложений поражаются и изнашиваются многие материалы (в частности, металлы, за счет коррозии и образования термопар).

Установлено, что

– солевые брызги слегка щелочные;

– щелочность морской воды в равновесии с воздухом ≈8,1÷8,3;

– концентрация соли в океане ≈35 ‰;

– действие соль+туман распространяется до высоты ~500 м;

– солевые брызги незначительны на удалении от берега моря внутрь материка на расстоянии 9÷20 км.

При испытании на удар величина ударных ускорений оценивается:

g=[2Kh (W1+W2)]0,5,

(4.3.8)

где g – число гравитационных единиц ускорения; K – постоянная демпфирующей пружины, кг/м; W₁– вес каретки, кг; а W₂ – вес испытуемого изделия и его крепления, кг. Длительность импульса удара, в мсек, оценивается:

t = 9960[(W1+W2)/K]0,5.

(4.3.9)

Из всех внешних механических факторов ОС, воздействующих на ИЭТ, самым значительным признана вибрация. Простейшая форма синусоидальной вибрации описывается:

x = sin (2nft) =Xsin (ωt),

(4.3.10)

где f – чаcтота вибрарации, Гц; а t – время (с). Если же объект подвергается синусоидальной вибрации, то мгновенная скорость определяется по

v =dx/dt, см/с,

(4.3.11)

а ускорение описывается в виде

w =d2x/dt2=–Xω2 sin (ωt), см/с2.

(4.3.12)

Случайное вибрационное колебание – непериодическое и неповторяющееся колебание, описывается колебанием, состоящим из последовательного ряда синусоидальных колебаний всех частот, в которых амплитуды и фазы изменяются случайным образом. В результате этого случайная вибрация определяется в статических единицах спектральной плотности. При этом «плотность» ускорения зависит от частоты:

W(f)=lim (σ2/Δf)=dσ2/df, при Δf→0,

(4.3.13)

где W(f) – плотность ускорения, g²/Гц; а Δf = df – прямоугольная ширина полосы частот, Гц. При этом ускорение выражается через

σ=[ W(f) df]0,5.

(4.3.14)

Если же плотность не зависит от частоты, то W(f)=W, а (4.3.14) принимает вид

σ=[ W(f2–f1)]0,5=WB,

(4.3.15)

где W – плотность ускорения, g²/Гц; а B – прямоугольная полоса частот f₂÷f₁, Гц.

Испытания на воздействие температуры должны учитывать точки плавления, «пурпурной чумы» и «оловянной чумы»материалов и компонентов ЭС.

При моделировании условий космического пространства надлежит учитывать падение давления с высотой (рис. 4.3.1).

Рис. 4.3.1

А испарение материалов в вакууме, оценивать по:

G = PM/(2πMRT)0,5,

(4.3.16)

где G – скорость испарения в вакууме (см. рис. 4.3.2); P – давление пара материала при температуре T, мм рт. Ст.; M – молекулярный вес материала; T – абсолютная температура, К; R – универсальная газовая постоянная. Требуемые для испытаний различных воздействий на ЭС значения вакуума приведены в табл. 4.3.1.

Таблица 4.3.1

Воздействие вакуума	Значения требуемого вакуума, мм рт. Ст.
Конвекционная теплопередача	<10–4
Лучеиспускание	<10–4
Диэлектрическая прочность	<10–8
Испарение материалов	В зависимости от давления паров
Поверхностные эффекты	10–7÷10–9 и ниже
Сухое трение	10–9÷10–11

Рис. 4.3.2

В космическом пространстве тепловые условия часто определяются значительно радиацией и собственным внутренним нагревом. Источниками радиации в околоземном пространстве являются направленный и отраженный от Земли и Луны (альбедо) солнечный свет и направленное излучение Земли. Альбедо от Земли зависит от поверхности под объектом, но обычно берется равным 420 вт/м².

Требуемые для испытаний различных воздействий на РЭС значения вакуума приведены в табл. 4.3.2.

Таблица 4.3.2

Воздействие вакуума	Значения требуемого вакуума, мм рт. Ст.
Конвекционная теплопередача	<10-4
Лучеиспускание	<10-4
Диэлектрическая прочность	<10-8
Испарение материалов	В зависимости от давления паров
Поверхностные эффекты	10-7÷10-9 и ниже
Сухое трение	10-9÷10-11

В космическом пространстве тепловые условия часто определяются исключительно радиацией и собственным внутренним нагревом. Источниками радиации в околоземном пространстве являются направленный и отраженный от Земли и Луны (альбедо) солнечный свет и направленное излучение Земли. Альбедо от Земли зависит от поверхности под объектом, но обычно берется равным 420 вт/м².

А зависимости давления паров металлов от температуры показаны на рис. 4.3.2.

Так как любая САУ или ЭС в процессе её формирования, хранения, реализации и эксплуатации подвергается многим воздействиям ОС, необходимость её испытаний на воздействие ОС вызвана обеспечением надежности её функционирования на этапе эксплуатации, в условиях реально превосходящих заданные техническими условиями.

Системы управления с человеком-оператором в контуре управления, для обеспечения их безаварийного функционирования, нуждаются в адаптации к изменениям как внутреннего их состояния, так и к воздействиям окружающей среды. Для адаптации таких систем в масштабе реального времени необходим контроль разнообразных параметров этих систем, в том числе средств принятия оперативных решений вплоть до применения резервируемости отдельных подсистем.

Дистанционно, по радиоканалу, управляемые высоко динамичные системы нуждаются в средствах электронной техники с повышенной надёжностью в работе, чего достичь удаётся с привлечением тщательно отработанных схемотехнических, конструкторских и технологических решений с последующим их апробированием в условиях более жестких, чем условия будущей эксплуатации указанных систем.