УДК 621.396.2

Обзор способов защиты электронной аппаратуры от ударных воздействий

Федотов Александр Викторович – аспирант Тульского государственного университета.

Аннотация: Целью работы является освещение методов защиты компонентов и электронной бортовой аппаратуры беспилотных летательных аппаратов, функционирующих в экстремальных условиях вибраций и ударов.

Рассмотрены запатентованные технические решения по снижению ударного и вибрационного воздействия на электронную аппаратуру для повышения ее вероятности безотказной работы в критических условиях. Проведен сравнительный анализ рассмотренных решений и существующего т.н. метода заливки электронных компонентов аппаратуры пенопластом на эпоксидной основе.

Отмечены недостатки рассмотренных решений в плане применения их на борту беспилотного летательного аппарата или ракеты. Определены пути рационального применения технических решений по нивелированию ударных и вибрационных воздействий на борту беспилотного летательного аппарата.

Для оптимального демпфирования ударных и вибрационных воздействий на бортовую аппаратуру и ее компоненты необходимо провести испытания планера ЛА по определению амплитудно-частотных характеристик ударных и вибрационных воздействий на отсеки летательного аппарата где размещается радиоэлектронная аппаратура. Проведенные испытания позволят оптимизировать состав компонентной базы бортовой аппаратуры с целью исключения из ее состава и замены дорогостоящих компонентов, адаптированных под высоко интенсивные воздействия на более доступные аналоги.

Ключевые слова: Ударное воздействие, вибрационное воздействие, электронные компоненты, беспилотные летательные аппараты, крешеры, заливка.

Введение: Электронная аппаратура широко применяется в системах аэрокосмического комплекса и на беспилотных летательных аппаратах (БЛА). Принимая во внимание общемировые тенденции широкого применения БЛА в различных сферах жизнедеятельности человека, их различные конструкции и назначения, актуальность защиты электронной аппаратуры будет возрастать с каждым днем. Бортовая аппаратура функционирует в условиях вибраций, ударов и других интенсивных механических воздействий. Надежность и стабильность работы аппаратуры при этом без применения специальных средств защиты могут значительно снижаться. В статье представлены технические решения, которые нивелируют последствия ударных и вибрационных воздействий на бортовую аппаратуру БЛА.

Известен способ [1] защиты аппаратуры от ударных воздействий заключающийся в том, что аппаратуру устанавливают в металлическом корпусе, внутренний объем которого заполняют демпфирующим материалом. В этом качестве применяют низкоплотный материал на основе смеси полых и терморасширяющихся микросфер. При этом состав низкоплотного материала на основе смеси полых и терморасширяющихся микросфер подбирают таким образом, чтобы в зоне действия инерционной нагрузки ударного воздействия в материале возникало механическое напряжение, равное пределу текучести данного материала,что в итоге снижает ударное воздействие на аппаратуру. Схема устройства представлена на рис.1. Устройство состоит из корпуса 1 и аппаратуры (защищаемый объект) 2. Объем внутри корпуса заполняется демпфирующим низкоплотным материалом 3 на основе смеси полых и терморасширяющихся микросфер. Устройство устанавливается на основание, опирающееся на плоскость А. Направления ударного воздействия - Р. Поверхность Б - зоны действия инерционной нагрузки на демпфирующий материал.

Рисунок 1. Общий вид устройства, оснащенного терморасширяющимися микросферами для повышения ударостойкости аппаратуры.

При действии ударной нагрузки Р на защищаемый объект 2, установленный по плоскости А, в демпфирующем материале 3 в зоне Б возникает механическое напряжение, примерно равное кажущемуся пределу текучести данного материала, при этом материал начинает разрушаться -«течь», сила же, действующая на аппаратуру, остается неизменной. Материал при ударном воздействии ведет себя как упруго пластичный.

Согласно [2] существует устройство защиты от механических воздействий радиоэлектронного блока с повышенной надежностью работы в условиях воздействия интенсивных механических нагрузок.

Рисунок 2. Общий вид конструкции устройства, оснащенного крешерами и энергопоглощающими элементами.

На рис. 2 представлен общий вид конструкции устройства. Устройство содержит пакет печатных плат 1, установленный на амортизирующих прокладках 2, внутри первого деформируемого корпуса 3, который заполнен ДРС (дискретными рабочими средами) 8. Пакет печатных плат 1 предварительно залит (герметизирован) компаундом для исключения влияния ДРС на электрорадиоизделия. Деформируемый корпус 3 установлен во второй жесткий (недеформируемый) корпус 5, пространство между которыми заполнено полимерным компаундом 4. На боковых поверхностях жесткого корпуса 5 выполнен кольцевой фланец с крешерами 6, при этом фланец расположен в одной плоскости с центром масс (ЦМ) устройства. Крепление устройства осуществляется посредством шпилек 7 и гаек 10 к основанию 9.

Конструкция устройства включает в себя следующие уровни защиты от интегральных механических воздействий:

• первый уровень – это размещение пакета печатных плат 1 на резиновых прокладках 2 в объеме, заполненном ДРС 8. За счет разнообразных физических процессов, протекающих в ДРС при воздействии механической энергии, в них идет интенсивное рассеивание последней. Корпус 3 выполняется из деформируемых сплавов и может при воздействии удара деформироваться, поглощая таким образом часть энергии удара.
• второй уровень защиты сформирован специальной заливкой устройства полимерным компаундом 4.
• третий уровень представлен крешерами 6, конструкции крешеров могут быть различные, например, просто тонкостенные втулки. Часть механической энергии ударного воздействия поглощается крешерами при их смятии.

Система крешерной защиты рассчитана на одно ударное воздействие. При этом учитывается, что ударное воздействие, как правило, имеет три составляющих – основное направление и два боковых. Последние обычно менее интенсивные. Поэтому крешеры 6 предназначены для поглощения энергии основной составляющей ударного воздействия. Энергия боковых составляющих ударного воздействия поглощается другими уровнями защиты устройства. При достаточно высоких уровнях боковых составляющих ударного воздействия крешеры 6 обеспечивают защиту устройства при смятии их боковых поверхностей. Для этого во фланце второго корпуса 5 выполнены пазы Б. Конструкция второго жесткого корпуса 5 и способ крепления блока также снижает динамичность устройства. На боковых поверхностях второго корпуса выполнен кольцевой фланец с крешерами 6, при этом фланец расположен на одной плоскости с центром масс устройства. Это исключает появление дополнительных опрокидывающих моментов.

При воздействии на устройство интегральной виброударной нагрузки большой интенсивности часть ее энергии, теоретически приблизительно 20-30%, поглощается крешерами 6 за счет их пластической деформации, при этом происходит завал фронта ударного импульса. В этом заключается основной метод защиты РЭА от ударных воздействий большой интенсивности - искусственное увеличение времени нарастания ударного ускорения. Часть вибрационных нагрузок рассеивается в слое полимерного компаунда 4 за счет его упругой деформации и сил трения. Корпус 3 и слой ДРС 8 за счет своих упругих свойств предохраняют пакет печатных плат 1 от деформаций при возрастании уровня механических нагрузок, поглощая часть их энергии (теоретически около 10-15%) за счет пластических деформаций. Слой ДРС 8 и амортизирующие прокладки 2 создают вокруг пакета печатных плат вязкоупругую защиту, предохраняя его от местных деформаций и ударов. Кроме того, конструкция корпуса 5 предохранит устройство от разрушения при попадании в него различных посторонних тел (например, крепежных и других деталей, сорванных при механическом воздействии с других элементов конструкции объекта-носителя). Конструкция крепежа устройства предохраняет его от срыва с места установки на объекте-носителе при ударном воздействии. Это достигается совмещением плоскости крепления и плоскости центра масс радиоэлектронного блока и применением крешеров 6, за счет чего снижается вероятность возникновения при ударном воздействии дополнительных опрокидывающих и других моментов, которые могут привести к нежелательным смещениям и деформациям элементов конструкции устройства и элементов его крепления.

Недостатком вышеуказанных конструкций является то, что элементы, воспринимающие нагрузку, выполнены безвозвратно деформируемыми или разрушающимися, обеспечивая защиту конструкции лишь одиночного интенсивного воздействия, что в условиях старта и полета БЛА или ракеты недостаточно для безотказного функционирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Кроме того, деформация корпуса приведет к изменению амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) конструкции защищаемого объекта и, как следствие, к появлению резонанса после высокоинтенсивного воздействия, который может привести к разрушению конструкции. Кроме того, хотелось отметить тот факт, что заливка электронных компонентов аппаратуры приведет к снижению уровня теплоотвода от элементов и снижению ремонто-пригодности аппаратуры в целом [3].

Наиболее эффективным путем к повышению работоспособности аппаратуры видится комбинация выше описанных технических решений в зависимости от режимов старта и полета БЛА. Для более рационального применения описанных и известных технических решений необходимо иметь полную картину амплитудно-частотных характеристик вибрационного и ударного воздействия на ЛА.

Список литературы

1. Патент RU 2385554 МПК Н05К/00 Способ защиты аппаратуры от ударных воздействий/. Иванов Алексей Валерьевич (RU), Хохлов Павел Вячеславович (RU) и др. Патентообладатель(и): Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Корпорация (RU),
2. Патент RU 2302091 МПК Н05 К5/00 Устройство для защиты от механических воздействий/ Иванов Алексей Валерьевич (RU), Ильин Сергей Львович (RU) Патентообладатель(и): Федеральное агентство по атомной энергии (RU), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU).
3. Е. Н. Талицкий Защита электронных средств от механических воздействий. Теоретические основы: Учеб. пособие / Владим. гос. ун-т. Владимир, 2001. 256 с.