2. Окружающая среда и ее воздействие на РЭА

2.1. Климатические зоны и характерные группы эксплуатации

2. Варламов Р. Г. Компоновка радиоэлектронной аппаратуры. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Сов. радио, 1975.

3. Ефимов И. Е. Современная микроэлектроника. - М.: Сов. радио, 1973.

4. Краткий справочник конструк-

тора РЭА/Под ред. Р. Г. Варламова. - М.: Сов радио, 1972. 5. Справочник по радиоэлектронным устройствам в 2-х т./ Р. Г. Варламов, С. Д. Додик, А. И. Иванов-Цыганов и др.; Под ред. Д. П. Линде, - М.: Энергия, 1978, - Т.2: разд. 9,

2. ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА И ЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА РЭА

Основные аббревиатуры

В - обозначение РЭА, пригодной для эксплуатации в любом районе на поверхности земли Вл - относительная влажность ГВР - гололедно-ветровой район ГИО - гололедно-изморозевые отложения

ИИ - ионизирующие излучения ИС - интегральная микросхема М - морской умеренно-холодный климат

МФ - метеорологические факторы О - обозначение РЭА, пригодной для эксплуатации в любом (кроме морей и озер) районе на поверхности земли ОМ - обозначения РЭА, пригодной для эксплуатации на судах с неограниченным районом плавания

ПДИ - поглощенная доза излучения

ПИЧ - перенос ионизирующих частиц

PC - солнечная радиация СИВ - скоростной напор ветра Т - обозначение РЭА, пригодной для эксплуатации в сухом и влажном тропическом климате ТВ - тропический влажный климат

ТС - тропический сухой климат ТМ - тропический морской климат

У - умеренный климат ХЛ - холодный климат ЭГ - эквивалентный гололед (толщина)

В зависимости от размещения РЭА на поверхности земли (в том числе в горных местностях), в атмосфере

или в толще вод рек, морей и океанов, характер и интенсивность внешних естественных дестабилизирующих факторов будут различными. Их влияние может быть как усилено, так и ослаблено при размещении РЭА на или внутри различных объектов. Освоение космического пространства требует учета дестабили-аиругощих факторов космического пространства и знаний условий работы РЭА на поверхности планет и других космических тел. Для земной РЭА определяющими естественными дестабилизирующими факторами являются климатические: воздействие тепла (холода) (характеризуемое температурой в ° С или К), относительная влажность Вл (в процентах), роса и обледенение (гололед), морской туман (солевой), пыль и песок, солнечная радиация (инсоляция) PC и плесневые грибы. Нормальные климатические условии: и = 25 ± ± 10°С (288 ... 308 К), Вл составляет 45 ... 80%, атмосферное давление р = (8,36 ... 10,6) 10 Па (630 ... 800 мм рт. ст.). Если д > > же (303 К), то Вл < 70%.

2.1. КЛИМАТ, КЛИМАТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ И ХАРАКТЕРНЫЕ ГРУППЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ [2, П] *

Климат - характерная для данной области (региона) на поверхности земли совокупность типичных изменений атмосферных процессов, обусловливаемых географическими координатами, уровнем солнечной ра-

* Составитель Р. Г. Варламов.

диации, строением земной (подстилающей) поверхности, вертикальным теплообменом и другими определяющими метеорологическими факторами за длительное (обычно 20 ... 30 лет) время. В зависимости от размеров пространства земной поверхности различают макро-, мезо- и микроклимат.

Макроклимат определяется географическими координатами, положением по отношению к океану, большими горными массивами и регулярными циркуляциями воздуха; местные условия при оценке макроклимата не учитываются. Мезоклимат определяется только местными влияниями (местные изменения рельефа поверхностности, влияние реки или озера и т. п.). Параметры макро-и (частично) мезоклимата учитываются при конструировании РЭА. Параметры микроклимата (сухой или сырой участок земной поверхности) весьма локальны, характерны для малых объемов (десятки м) и практически не учитываются. Большая динамичность факторов окружающей среды требует не только их дифференцированного учета, но и четких определений.

Основными климатическими факторами внешней среды являются: солнечная радиация, температура, относительная влажность воздуха, его плотность, движение, наличие твердых и газообразных примесей, образование снега, тумана, инея, плесневых грибков. Динамичность этих параметров заставляет рассматривать нормальные, номинальные, рабочие и предельные значения.

Предельные значения климатических факторов проявляются чрезвычайно редко, в течение не более 6 ч, и допускают в этих условиях только сохранение работоспособности РЭА (без соблюдения номинальных значений параметров, отклонения которых оговариваются в ТУ). Рабочие значения характеризуют области сохранения номинальных параметров при экономически целесообразных сроках службы РЭА. Записанные в ТЗ, ТУ или стандарты рабочие значения являются номинальными значениями параметров, при которых обеспечивается нормальная эксплуатация. Нормальными называют уточненные при проектировании зна-

чения климатических факторов в пределах данной географической зоны с учетом места расположения изделия.

Солнечная радиация PC (интегральная плотность теплового потока для высот от 15 ООО м включительно) равна 1125 Вт/м (из них 42 Вт/м падает на ультрафиолетовую часть спектра 280 ... 400 им). Ее колебания и свойства среды в данном месте определяют температуру. Если за счет PC дополнительное повышение температуры < 3 К, то говорят о практическом отсутствии влияния PC.

Различают эффективную температуру внешней среды; температуру для тепловых расчетов изделий; среднюю (из ежегодных максимумов или минимумов) в виде среднеарифметического значения за многолетний период и температуру внешней среды при эксплуатации. Для изделий с естественным воздушным (водяным) охлаждением температура внешней среды - это температура газовой среды (воды) на уровне расположения РЭА, на расстоянии, при котором влиянием рассеивания тепла от РЭА можно пренебречь (оно оговаривается в ТУ). Для РЭА с принудительным газовым или вторичным водяным охлаждениэм за температуру внешней среды принимают температуру газа или жидкости на входе в систему охлаждения, а для РЭА, работающей в почве, - температуру почвы на уровне погружения в нее РЭА и на расстоянии, при котором влиянием тепла от РЭА можно пренебречь. Относительная влажность (Вл) воздуха-отношение количества невидимых глазу водяных паров при данной температуре в объеме воздуха к их максимальному количеству. Абсолкяная влажность-количество водяных паров в граммах в 1 м воздуха; не зависит от температуры. Точка росы- температура, при которой наступает насыщение (100% Вл).

Осадки, жидкие (туман, дождь, роса) и твердые (град, снег, крупа, иней), возникают вследствие охлаждения влажного воздуха ниже точки росы. Капельки малых размеров (туман) висят в воздухе (при охлаждении у поверхности земли капли больших размеров образуют росу),

2. Окружающая среда н ее воздействие на РЭА

2.1. Климатические зоны и характерные группы эксплуатации

ГС 40

и 1) 5 tlSkiи Stt.Si.iU If 5 if.l If Ь...5 k1 i 5...51t.bU:l ii 5 TC/BJ- I-0-1 MJM Ofl -I

ff,Mff TjcmofiB тв,о б

Д/7,%;(У,°/г;

100 (35) (25) (10) 58(35) (15) 30 (П) (W) 80(27)

(20) 55(29}

1.1 1.2 3 Щ.2 1.Г,2 1 3;<1 5 И 1:2 4.2 и 3;4 if.1 5 5 мм 5

I-у;хл-I гс тв;т;о у- м в-Jи; о и

1.1 1 1

X Л ТС ТВ т о в fi тм ом

0,01

л СЖ1 I

жг 0/К1 ожз

с S 10 15 20 25 ff,m ж

Рнс. 2.1. Диапазоны изменения температур (индексы: пв и рв - предельное и рабочее верхнее значение, пн и рн - предельное и рабочее нижнее значение, ср - среднее значение) в С для умеренного У, холодного ХЛ, тропического Т, тропического сухого и влажного ТС и ТВ, морского М, тропического морского ТМ климатов и для РЭА, работающей во всех наземных районах О, иа морских судах с неограниченным районом плавания ОМ н во всех районах на суше и на море В (а); температуры охлаждающей воды для проточных водяных систем охлаждения в °С (штриховой линией показаны диапазоны значений прн циркуляционных системах н нспользованнн граднреи. искусственных прудов и т. п.) (б); сочетание значений относительной влажности, температуры в ° С и продолжительности влажного периода в месяцы inn (в); условия хранения РЭА для легкой Л, средней С, жесткой Ж н особо жесткой ОЖ групп сочетания параметров (г); коррозионная активность атмосферы для различных категорий РЭА и (I.I . . . 5) и видов исполнения (У . , . ОМ) (Э); содержание в атмосфере сельской местности I, промышленных II а морских III районов сернистого газа н хлористых солей мг/мcyт (е); число частиц N, давление Р (мм рт. ст.) н относительная электрическая прочность £е в зависимости от высоты Н, км (ж)

больших размеров выпадают в виде дождя. Если температуря воздуха значительно ниже точки росы, то образуются твердые осадки в виде некристаллических концентрических округлых градин (размеры от горошины до голубиного яйца), снежинок, крупы (кристаллики льда) или различных видов инея. Интенсивность дождя для зон У, ХЛ, ТС 3 мм/мин, для остальных зон 5 мм/мин - верхнее рабочее значение.

При изменении высоты над уровнем моря происходит значительное изменение плотности и температуры воздуха, при постоянной высоте влияние температуры на плотность незначительное.

Ветер - горизонтальное движение воздуха (вертикальное - восходящий ветровой поток или термическая циркуляция) - характеризуется направлением, силой в баллах (или скоростью в м/с) и порывами.

Наличие твердых или газообразных примесей существенно влияет на характер воздействия воздушной среды на РЭА. Пыль характеризуется размерами частиц (тонкая <20мкм, грубая > 20 мкм), их числом или

массой на единицу объема (0,02 ... ... 500 мг/м). Специфические газообразные отходы промышленности могут обладать заметным разрушительным действием. Воздействие пыли и ее состав регламентируются ЧТУ.

Плесневые грибки способны разлагать высокомолекулярные естественные (древесина) и искусственные (пластмассы) соединения и нарушать работу РЭА.

В соответствии с ГОСТ 15150-69 различают 6 макроклиматических районов; умеренного У (i9= -f- 40 ... ... -45°С 313 ... 228 К), холодного ХЛ (- > - 45° С), влажного тропического ТВ ф > 20°С (293° К) при Вл > 80% 12 или более часов в сутки непрерывно в течение 2 ... 12 мес. в году), сухого тропического ТС (-f тЭ > + 40°С 313 К), умеренно холодного морского М и тропического морского ТМ климатов.

Климатические районы СССР и Земного шара (Приложение 6 ГОСТ 15150-69) следующие: У - основная часть территории СССР, Европа, США (кроме Аляски), юг Австралии. ХЛ - северо-восток СССР, Аляска, Антарктида и Арктика. ТВ - Панамский перешеек, север Южной Америки, средняя часть Африки, Индия, Индокитай, север Австралии. ТМ - полоса Мирового океана между 30° с. ш. и 30° ю. ш. Горные районы - Кордильеры (Южная Америка), Тибетское нагорье, отдельные районы Африки.

Наземная РЭА, годная для работы в районах ТВ и ТС ( тропическое исполнение ), имеет обозначение Т, годная для работы во всех наземных районах - О. РЭА, установленная иа морских судах с неограниченным районом плавания, имеет обозначение ОМ, пригодная для всех районов на суше и на море - В.

Изделия, эксплуатируемые на открытом воздухе (категория 1 ГОСТ 15150-69), могут храниться в помещениях (категория 4). РЭА, размещенная в помещениях типа палаток, кузовов, прицепов, ангаров или под навесами и т. п., относятся к категории 2. Она соответствует категории 1 при отсутствии прямого воздействия PC и атмосферных осадков. Эксплуатация РЭА в закрытом помещении с естественной вентиля-

цией (без искусственного регулирования климатических условий) при существенном уменьшении воздействия PC, ветра, атмосферных осадков, при отсутствии росы, колебаний температуры и Вл, уменьшении воздействия плесневых грибков, по сравнению с их воздействием на открытом воздухе - категория 3.

В закрытых наземных или подземных помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями (категория 4) выделяют помещения с кондиционированием воздуха и помещения лабораторного, капитального, жилого и др. типа. Эксплуатация РЭА при повышенной Вл (неотапливаемые и невентилируе-мые помещения, в которых может бьггь влага или ее частая конденсация) - категория 5. Сводные данные по климатическим факторам даны на рис. 2.1. Если поверхность РЭА нагревается Солнцем, то значения & должны браться на 15 ... 30 К выше, чем указано на рис. 2.1, а.

Рабочие значения температуры почвы на глубине 1 м равны: для У -5 ... 25; ХЛ -20 ... 10; ТС. ТВ, Т 10 ... 35 и О, В -20 ... ... + 35° С (или 258 ... 290, 253 ... ... 283, 283 ... 308 и 253 ... 308 К). Температура окружающего воздуха за 8 ч может изменяться для исполнений У, ХЛ, ТС, Т, О, В на 40°С, ТВ, ТМ на 10°С, М, ОМ на 30°С.

2.2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЕТРА И ГОЛОЛЕДА [1, 3, 5...7, 15]*

Специфическим видом климатических воздействий на элементы наземной РЭА, расположенные вне помещений и укрытий, является одновременное воздействие ветра и гололеда. При оледенении увеличиваются поперечные размеры и масса элементов, что приводит к росту аэродинамических и механических нагрузок. Случайный характер метеорологических факторов МФ, формирующих гололедно-ветровой режим (гололедно-изморозевых отложений ГИО, изменение скоростей ветра и температур), требует вероятностного подхо-

да к решению задачи, которая описывается следующими основными параметрами:

бэг-бд-бср - Fr-

Рх-Р(х. у) -

i(x) -Rx. у) -п -

Кгио

* Составители А. В. Кривозубов, И. П. Плево.

- диаметр цилиндрического элемента конструкции

- толщина стенки эквивалентного гололеда ЭГ;

- действительная толщина ГИО; среднее значение толщины стенки ЭГ; обеспеченность сочетаний интенсивностей МФ с периодом повторения гмф. п >

обеспеченность ин-

тенсивности х; обеспеченность сочетаний интенсивностей х и У,

плотность распределения вероятностей интенсивности х;

плотность распределения вероятностей сочетаний интенсивностей хну;

высота над поверхностью земли;

поправочный коэффициент, учитывающий действительную величину ГИО;

коэффициент динамичности, учитывающий динамическое воздейст-ствие, вызываемое порывистостью скоростного напора ветра СНВ; коэффициент порывистости СНВ; поправочный коэффициент, учитывающий за-вимость толщины стенки ЭГ от диаметра цилиндрического элемента; поправочный коэффициент на возрастание СНВ в зависимости от высоты над поверхностью земли;

параметр уравнения Гудрича, аппроксимирующего распределение вероятностей интенсивности х;

,мф

Р(х <Х)-Ро - Рй -

ЮРо -

Тс -ТМф

Q{X) Q(X, У)

поправочный коэффициент на возрастание толщины стенки ЭГ в зависимости от высоты над поверхностью земли; общее число наблюдений; абсолютная частота (число наблюдений) i-ro интервала интенсивности МФ;

параметр уравнения Гудрича в виде показателя степени, аппроксимирующего распределение вероятностей интенсивности дг; вероятность интенсивности Xi

нормативный ветровой напор;

нормативная распределенная гололедная нагрузка;

относительная частота 1-го интервала интенсивности МФ;

СНВ на высоте до 10 м над поверхностью земли; период собственных колебаний конструкции;

период повторения интервалов интенсивности МФ;

- непрерывная продолжительность действия интервала интенсивности МФ;

суммарная продолжительность действий интервала интенсивности МФ;

повторяемость интенсивности х;

повтор яелюсть сочетаний интенсивностей X и у-

9g - нормативная погонная гололедная нагрузка; V - скорость ветра; оор - среднее значение скорости ветра; J,г/- интенсивности МФ; - плотность ЭГ

Расчет интенсивности метеорологических факторов

Для получения расчетных значений интенсивности МФ используются

в основном графоаналитические ме-годы обработки климатологических данных 1, 3]. Данные многолетних наблюдений группируются по интервалам интенсивности МФ, после чего подсчитываются абсолютная

и относительная частота

частота л *

1-то интервала pf* = nf*/N (здесь N - общее число наблюдений). Совокупность интервалов группирования и их относительных частот называют дифференциальным распределением (плотностью распределения вероятностей). Последовательно суммируя относительные частоты интервалов, получают накопленные относительные частоты; повторяемость Q (х) и обеспеченность F (х) = I - - Q (х). Совокупности интервалов группирования и накопленных относительных частот называют интегральными распределениями.

Для расчета интенсивности х параметров гололедно-ветрового режима широко используют формулу распределения Гудрича

(2.1)

F (х) = ехр (-ftjjr х ).

Откладывая на одной оси двойные логарифмы дроби l/F(x) или 1/Q {х), а на другой - логарифмы х, получают функциональные шкалы сетчатки, на которой кривая (2.1) спрямляется.

Повторяемость сочетаний интенсивностей X и у двух МФ определяется по формуле

Q{x, у)Р[х<Х, (/<П =

/(*,(/) dxdy,

- оо -оо

где / {х, у) - плотность распределения вероятностей сочетаний интенсивностей МФ.

Если интенсивности ха д ивляются независимыми случайными величинами, то

l(x, y)=j{x)j{jj), (2.2)

где f {х) а f (у) - плотности распределений вероятностей интенсивностей X а у двух МФ в отдельности.

ГИО, плотность которых изменяется в пределах от 20 до 900 кг/м, приводится к чистому гололеду с плотностью Рв= 900 кг/м какэкви-