АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ БОРТОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Ларин В.П.

Профессор, доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ БОРТОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Аннотация

Рассмотрены принципы построения и реализации процесса автоматизированного выбора конструктивно-технологических решений при проектировании бортовой электронной аппаратуры с использованием экспертной системы.

Ключевые слова: бортовая электронная аппаратура, конструктивно-технологические варианты, выбор.

Larin V.P.

Professor, doctor of Technical Sciences, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation

AUTOMATING THE PROCESS OF SELECTING THE CONSTRUCTIVE-TECHNOLOGICAL SOLUTIONS WHEN DESIGNING THE ONBOARD ELECTRONIC EQUIPMENT

Abstract

The principles of construction and realization of computer-aided process design and selection of technological solutions in the design of the onboard electronic equipment using expert system.

Keywords: onboard electronic equipment, constructively-technological options, choice.

Стремительное развитие аэрокосмической техники предъявляет все более жесткие требования к конструкциям бортовой электронной аппаратуры. Соответственно растет и трудоемкость конструктивно-технологического проектирования аппаратуры и ответственность принимаемых проектных решений при постоянно увеличивающемся числе возможных вариантов конструкций электронных модулей и конструктивно-компоновочных исполнений. Анализ и выбор конструктивно-технологических решений проводится с учетом большого количества факторов с привлечением многокритериального оценивания при поиске оптимального варианта.

Целью данной публикации является рассмотрение научно-методических вопросов уменьшения трудоемкости проектирования бортовой электронной аппаратуры, повышения технического уровня и оптимальности принимаемых решений на основе автоматизации вариативных задач.

Предварительный анализ конструктивных вариантов реализации авионики различных типов и видов летательных аппаратов (ЛА) показал, что практически все разработки аппаратуры выполняются на основе электронных модулей на крупноформатных печатных платах по функционально-узловому методу или на базе типовых модулей на малоформатных платах по функционально-модульному методу. Использование модулей микроэлектронных средств и микросистемной техники пока в значительной степени уступают этим вариантам конструирования.

Продолжающаяся миниатюризация и увеличение функциональности в развитии электронных средств содействуют получению конкурентоспособных вариантов реализации конструкций бортовой аппаратуры, позволяющих существенно уменьшить массогабаритные характеристики, а во многих случаях и повысить показатели надежности. Игнорирование наиболее современных разработок, отвечающих требованиям малогабаритности, стойкости к повышенным температурам и высоким механическим нагрузкам, объясняется двумя причинами: отсутствием у проектировщиков глубоких знаний по современным разработкам или нежеланием дорабатывать эти разработки под требования к аппаратуре конкретного ЛА. Стимулирующим фактором в этом случае может стать интеллектуализация проектирования на базе экспертных систем с развитыми базами данных и знаний. Это позволит проектировщику рассмотреть все возможные варианты решений, учесть все факторы, определяющие выбор решений и обеспечить нахождение оптимального.

В связи с тем, что для различных классов и типов ЛА требования к конструктивно-технологическим решениям значительно отличаются, последующее рассмотрение задач проектирования относится к аппаратуре беспилотных сверхскоростных ЛА (крылатых ракет, гиперзвуковых ЛА).

Несмотря на имеющийся достаточно большой арсенал современных конструктивно-технологических вариантов реализации бортовой аппаратуры, задача выбора конструктивного решения, обладающего свойствами стойкости к факторам полета сверхскоростного ЛА и сохраняющего высокий уровень безотказности, является чрезвычайно сложной. Сложность этой задачи состоит также в том, что практически все рациональные решения по стойкости к отдельно взятому фактору являются неприемлемыми по стойкости к другому фактору, т.е. налицо высокий уровень противоречий при рассмотрении решений в силу многофакторности и жестких ограничений на размеры и массу. Противоречивость исходных требований вызывает конфликтные их сочетания: обеспечение минимальных  значений габаритов и массы модуля, с одной стороны, и обеспечение механической устойчивости и теплового режима, с другой; обеспечение высокой степени интеграции, использование новых материалов, компонентов, технологий, с одной стороны, и минимизация себестоимости изготовления, обеспечение технологичности конструкции,  с другой и т.п.

В качестве альтернативных вариантов рассматриваются конструкции электронных модулей первого уровня разукрупнения различного конструктивно-технологического исполнения. Каждый электронный модуль бортовой аппаратуры может быть реализован в различных конструктивных вариантах, анализ которых и выбор оптимального определяется значительным количеством критериев. На рис. 1 представлен ряд укрупненных вариантов конструктивно-технологического исполнения, заслуживающих рассмотрения в качестве альтернативных.

Рис. 1 - Варианты конструкций модулей и варианты комбинирования

Начальный набор вариантов в каждом конкретном случае связан с функциональным назначением проектируемого устройства, его схемной сложностью и ограничениями, имеющимися у каждого из перечисленных вариантов на современном уровне развития.

Структура процессов решений задач выбора отражена на рис. 2.

Рис. 2 - Укрупненная структура процесса выбора конструктивно-технологического варианта

Экспертная система основана на сетевых моделях, представленных сетевыми графами. Вершины графа выбора конструктивного варианта соответствуют видам конструктивной реализации, представленным на рис. 1.

Предварительный перебор вариантов и их выбор для последующего детального анализа осуществляется при обходе графа «в ширину». Анализ каждого из вариантов-претендентов выполняется при обходе графов проверок «в глубину». Стратегия поиска решений построена на алгоритмах последовательного оценивания вариантов.

Рассмотрим обобщенную схему (рис. 3) решения проблемы проектирования бортовой аппаратуры, состоящей из решения двух основных задач: анализа конструктивных вариантов и выбора оптимального конструктивно-технологического варианта реализации. Приведенные в схеме этапы и процедуры выполняются с применением созданного прототипа экспертной системы выбора конструктивно-технологического варианта проектирования аппаратуры сверхскоростных ЛА.

Приведем некоторые комментарии к схеме выбора.

Формирование исходных данных выполняется в зависимости от типа ЛА, значений параметров воздействий на аппаратуру, места расположения устройства на борту, массогабаритных и энергетических ограничений и т.п.

В базе знаний экспертной системы по каждому из вариантов ряда конструктивной реализации, соответствующими атрибутами представлены характеристики и допустимые значения по каждому из классификационных требований. Сопоставление исходных данных и допустимых решений производится на основе разработанных условий существования требований и условий существования решений.

Проверка допустимости реализации варианта конструкции выполняется по следующим технологическим критериям: степень отработанности технологии; трудоемкость изготовления, включая монтаж; ожидаемый уровень дефектности; ожидаемая точность выходных

Рис. 3 - Обобщенный алгоритм решения задач выбора варианта конструктивно-технологического исполнения устройства бортовой аппаратуры

параметров; технологическая себестоимость. Значения критериев получены на основе экспертных оценок. Проверки вариантов конструкций на надежность и устойчивость к внешним и внутренним влияющим факторам выполняются на основе методик, изложенных в [1], Проверка надежности выполняется на основе интегральных функционалов (V):

V = F(T_ср, Р′_ПЗ (t_З) - для аппаратуры ЛА одноразового использования;

V=F[T′_cp,T_o,T_B,K_О.Г,P′_ПЗ(t_З)] - для восстанавливаемой аппаратуры пилотируемых ЛА и беспилотных  ЛА  многоразового использования, где Т_ср – средняя наработка до отказа, T′_cp - средняя наработка до отказа в полете, P′_ПЗ(t_З) - вероятность выполнения программы полета, зависящая от конструктивно-технологических параметров аппаратуры ЛА, Т_О – средняя наработка между отказами, Т_В – среднее время восстановления, К_О.Г – коэффициент оперативной готовности.

В отдельных случаях предусмотрено использование в функционале показателей Р_Б.Ц – вероятности безотказного срабатывания у цели и Т_СБ.СР – средней наработки до отказа на сбой.

Схема  формализации задачи конструктивно-технологических требований и выполнения компоновочных решений на основе вариантов-претендентов, представлена на рис. 4.

Рис. 4 - Формирование конструктивно-технологических требований к компоновке модулей

Для сверхскоростных ЛА параметры теплового поля в зоне размещения рассматриваемой аппаратуры определяются уровнем «погашенной» температуры корпуса за счет внешней теплозащиты и внутренней теплоизоляции приборного отсека. Помимо теплового поля, сформированного нагретым корпусом, необходимо учитывать внутренние тепловые поля, например, от работающих двигателей. В результате в зоне конкретного приборного контейнера, ограниченного кожухом, будем иметь тепловое поле с основными тепловыми параметрами t_вн.с,q - температурой внешней среды и плотностью теплового потока. Эти данные используются для проверки конструктивных вариантов и компонентов на тепловую устойчивость.

Механические воздействия на конструкции аппаратуры также имеют двойное происхождение и состоят из линейных и ударных перегрузок от корпуса ЛА и вибрационных воздействий от двигателей, механических и электромеханических устройств аппарата. Основными параметрами, определяющими уровень этих суммарных воздействий, будут ω,n - частотные характеристики и величины перегрузок.

Прошедшие через корпус электромагнитные волны и  электромагнитные поля работающей аппаратуры образуют внутреннее электромагнитное поле в зоне приборного отсека с основными параметрами f,v - частотными характеристиками поля и интенсивностями потоков.

Процесс функционирования варианта конструкции аппаратуры в месте установки оценивается  совокупностью параметров, в числе которых отметим: параметры теплового режима ∆t_к,t_з - средний перегрев кожуха и температура нагретой зоны внутри кожуха; параметры механических воздействий на элементы конструкции Р,δ - нагрузка на элементы конструкции и напряжения в элементах конструкции; частотные характеристики электромагнитного поля внутри контейнера.

Все параметры, характеризующие функционирование аппаратуры, не должны превышать допустимых значений для обеспечения требуемых показателей безотказности. Эти значения, взятые с коэффициентами запаса, и определяют конструктивно-технологические требования. При формулировке требований и формировании вариантов решений можно использовать методику, описанную в источнике [1], в соответствии с которой массивы классифицированных вариантов конструкций и технологий служат основой для выбора решений на каждом уровне детализации. Множество требований {x₁,x₂,…,x_n} рассматриваются на каждом уровне детализации из {S₁,S₂,…,S_N}, где каждый классифицированный элемент снабжен значением S(I,J) атрибута для последующего использования при поиске решения из {y₁,y₂,…,y_m}. Каждое решение y_i ищется как пересечение группы требований и группы условий существования решений.

Автоматизация решения рассмотренных задач позволяет существенно уменьшить трудоемкость проектирования бортовой электронной аппаратуры, повысить технический уровень разработок, сократить сроки проекта и в значительной степени уменьшить влияние человеческого фактора на принимаемые проектные решения.

Литература

1. Ларин В.П. Синтез конструкторско-технологических решений при проектировании аппаратуры гиперзвуковых летательных аппаратов: Известия ГУАП. Аэрокосмическое приборостроение: науч. журнал. Вып.2 / - СПб.: ГУАП, 2011, с.68-71.

References

1. Larin V.P. Sintec konctruktorcko-tehnologicheckih reseniy pri proektiro-vanii apparatury giperzvukovyh letatelnih apparatov: Izvestiy GUAP. Aerokosmi-cheskoe priborostroenie: nauz. gurnal. Vip.2 / - SPd.:GUAP, 2011, s.68-71.