Влияние теплового режима на надежность ЭС

В процессе эксплуатации ЭС подвергаются влиянию положительных и отрицательных температур, источниками которых являются окружающая среда, объект установки и сама ЭС. Диапазон изменения температур в околоземной атмосфере может составлять ± 100°С, а в космосе он еще шире. Объект установки ЭС может иметь источники тепла (двигатели) и холода (баки с охлажденным топливом, жидкий азот для охлаждения чувствительных элементов). Сама ЭС является источником тепла, поскольку представляет собой систему преобразующую энергию.

Баланс энергии в ЭС определяется выражением

                                        Р = Р_П + Р_Р + Р_Н,                               (18)

где Р - полезная энергия, подводимая к изделию от источника питания;

Р_П - полезная энергия, затрачиваемая на функционирование изделия;

Р_Р - тепловая энергия, рассеиваемая в окружающем пространстве;

Р_Н - тепловая энергия, затрачиваемая на нагрев элементов.

Рассеиваемая энергия составляет 70...90% от энергии потребления,

Р_Р + Р_Н = (0,7...0,9)Р. КПД любого электронного устройства определяется как

                 h = .            (19)

 

Таким образом, КПД устройства тем выше, чем меньше расход энергии на тепло. Обычно КПД ЭС невелик. Следовательно, значительная часть энергии выделяется в виде тепла. Если эту энергию не рассеять в окружающее пространство, то она пойдет на нагрев ЭС.

Воздействие положительных и отрицательных температур может снизить надежность аппаратуры. Причинами параметрических отказов могут быть:

n ухудшение изоляционных свойств материалов;

n изменение коэффициента усиления;

n изменение параметров конденсаторов, резисторов, магнитных сердечников и т.п.

Все эти факторы могут привести к искажению сигнала до уровня, при котором нормальное функционирование невозможно.

Причинами внезапных отказов, вызванных воздействием низких температур являются:

n затвердевание резины (разгерметизация прокладок, выход из строя амортизаторов);

n увеличение вязкости смазок;

n замерзание влаги, вызывающее увеличение микротрещин в материалах, и т.п.

Повышение температуры приводит к:

n выделению летучих веществ из изоляционных и смазочных материалов, что изменяет их свойства;

n изменению структуры керамических материалов;

n старению материалов;

n образованию пор в паяном шве и т.п.

Если в конструкции имеются материалы с разными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР), то это приводит к поломке конструкции: обрыв проводников в МПП, заклинивание подшипников и зубчатых пар, выход из строя паяных, сварных и клеевых швов.

Функциональные элементы и механические части ЭС различаются термостойкостью, т.е. способностью элементов и материалов кратковременно выдерживать воздействие высоких и низких температур, а также термоударов. Термостойкость определяют по температуре, соответствующей началу существенных изменений параметров или свойств элементов. Поэтому элементы и материалы могут нормально функционировать в пределах некоторого диапазона температур. (Это явление наблюдается и в природе - нормальная температура человеческого тела 36,6 ± 0,1°С).

Таким образом, обеспечение надежности ЭС связано с обеспечением температуры всех их частей в заданных пределах.

Тепловым режимом называется пространственно-временное изменение температуры устройства. Оно зависит от мощности источников и поглотителей энергии, геометрических и физических параметров среды, поглощающей тепло.

Тепловой режим блока РЭС характеризуется совокупностью температур отдельных его точек в пространстве и во времени - температурным полем, Т (х,у,z,t).

                                       

 

Рис.8.1. Температурное поле ЭС.

 

Если температура в любой из точек не выходит за пределы допустимого, то такой тепловой режим называется нормальным.

В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть стационарным и нестационарным.

Стационарный режим характеризуется неизменностью температурного поля во времени, обусловленной термодинамическим равновесием между источником и поглотителями тепловой энергии.

Нестационарный режим характеризуется сильной зависимостью температурного поля от времени. Он обычно имеет место при одиночных и кратковременно повторяемых тепловых нагрузках.

Увеличение функциональной сложности при уменьшении габаритов ЭС приводит к теплонагруженности аппаратуры, что требует принятия специальных мер для обеспечения нормального теплового режима.