CC BY
21Проектирование и технология радиоэлектронных средств
УДК 629.12
В. М. Балашов
ОАО "Ленинец-Холдинг" А. В. Жук, Р. Р. Шингареев
ЗАО "Котлин-Новатор"
и
и
Структурирование конструкторско-технологических
параметров антенных устройств
бортового радиоэлектронного оборудования
Структурирование функций качества, бортовое радиоэлектронное оборудование, антенные устройства, конструкторско-технологические параметры зеркальных и щелевых антенн
При многоуровневом представлении бортового радиоэлектронного оборудования структурирование функций качества (СФК) сопровождается разработкой и анализом последовательности уточняющих моделей (матриц), преобразующих вербальную информацию, содержащуюся в запросах потребителя (ЗП), в инженерные параметры проектирования (ИПП), представляющие собой конкретные технические параметры и характеристики продукции, подлежащие реализации в процессе ее проектирования и производства [1].
Составление последовательности матриц является сложным и ответственным процессом, поскольку выходная информация каждого этапа структурируется на последующем этапе, а следовательно, должна отвечать требованиям измеримости, сопоставимости и допускать корректировку на предыдущем этапе с учетом их влияния на ИПП и в конечном итоге - на потребительские свойства изделия.
Современное бортовое радиоэлектронное оборудование (БРЭО) различного типа и назначения в качестве важнейшей составной части включает антенные устройства (АУ). Качество и эффективность применения БРЭО в значительной степени определяются техническим уровнем и фактическим техническим состоянием используемых АУ. Действительно, выход из строя АУ радиоэлектронного комплекса не может быть скомпенсирован совершенными средствами обработки информации. Более того, даже частичное снижение работоспособности АУ (например, выход из строя части элементов в антенных решетках) и связанные с этим погрешности (например, ошибки в определении пространственного положения некоторого объекта) приводят к снижению эффективности не только радиотехнической системы, но и
Методами структурирования функций качества бортового радиоэлектронного оборудования конкретизированы требования к конструкции и технологии производства альтернативных вариантов построения антенных систем. Выделены параметры, значения которых оказывают определяющее влияние на удовлетворение запросов потребителя.
© Балашов В. М., Жук А. В., Шингареев Р. Р., 2007
69
Таблица 1
Системное требование Требование к подсистеме Требование к устройству
Дальность действия РТС Эксплуатационная стабильность 1. Устойчивость к климатическим воздействиям
2. Устойчивость к механическим воздействиям
Пространственная избирательность антенного устройства 3. Размер апертуры антенны
4. Амплитудно-фазовое распределение в раскрыве
5. Стабильность при эксплуатации
6. Сектор сканирования
7. Масса антенны (определяет возможные скорости механического сканирования)
Мощность передатчика Уточнялись при разработке соответствующих устройств
Чувствительность приемника
иных, сопряженных с ней технических систем (навигационных, энергетических, управляющих и т. п.), вплоть до полного отказа [2]. Учитывая определяющее влияние АУ на показатели функционирования БРЭО, рассмотрим возможности методов СФК на примере АУ БРЭО.
Инженерные параметры проектирования АУ БРЭО, связи которых с запросами потребителей установлены в процессе формирования плановой матрицы, определили приоритет устойчивости к климатическим воздействиям и обеспечения пространственной избирательности антенного устройства (табл. 1). Дополнительно установлены требования, определяющие возможность работы БРЭО в условиях воздействия организованных помех.
Формирование матрицы структурирования предполагает конкретизацию требований, предъявляемых собственно к компонентам АУ БРЭО. В приведенном примере (табл. 1) в качестве приоритетного системного параметра рассматривается дальность действия БРЭО [3].
Обеспечение эксплуатационной стабильности АУ БРЭО в значительной степени реализуется за счет использования радиопрозрачных обтекателей и иных укрытий, защищающих АУ от непосредственного механического воздействия набегающими воздушными потоками и гидрометеообразованиями. Устойчивость АУ по отношению к механическим воздействиям определяется особенностями его установки на объекте-носителе и принятыми при его проектировании конструкторскими решениями, включающими выбор и обоснование используемых конструкционных материалов [3].
Размер апертуры антенны и сектор механического сканирования, как правило, диктуются конструктивными особенностями объекта установки (носителя), формой и местоположением антенного обтекателя. Естественное стремление максимального использования разрешенного объема в сочетании с заданным сектором сканирования определяет однозначное задание значений требований 1-4 (табл. 1), в то время как остальные параметры требуют взаимного рассмотрения в рамках процедуры СФК.
С учетом возможных альтернативных вариантов исполнения АУ формируется вторая матрица структурирования, определяются требования к инженерным параметрам компонента (ИПК) и обеспечивающие ИПК требования к инженерным параметрам деталей компонента (ИПДК) (табл. 2) [2].
Для оценки и ранжирования ИПК и ИПДК применимы коэффициенты абсолютной и относительной значимостей с оценкой средневзвешенных значений по каждому запросу.
Таблица 2
Требование к устройству Требования к компонентам конструкции - ИПК Требования к элементам компонентов (материалам) - ИПДК
Вариант 1. Зеркальная антенна (ЗА)
Вид амплитудно-фазового распределения в раскрыве Повышение точности профиля за счет дополнительных элементов конструкции (ребер жесткости и т. п.) Минимальная плотность и высокие механическими свойства
Повышение точности профиля за счет применение многослойных конструкций и соответствующих схем армирования Полимерные композиционные волокнистые материалы
Масса антенны Минимизация толщины антенного отражателя Материалы с повышенными механическими свойствами
Эксплуатационная стабильность Минимизация температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) элементов конструкции а Применение углекомпозитов
Вариант 2. Волноводно-щелевая антенна (ВЩА)
Вид амплитудно-фазового распределения в раскрыве Равенство электрических длин каналов запиты-вающей системы Постоянство сечения волноводных каналов и равенство геометрических длин каналов запитывающей системы
Минимизация связи между смежными каналами излучающего полотна Качество сборки и пайки ВЩА
Масса антенны Минимизация толщины стенок волноводных элементов запитываюшей системы и излучающего полотна Материалы с повышенными механическими свойствами
Вариант 1. Требования минимизации искажений сложных поверхностей ЗА дополняются необходимостью снижения массы и габаритных размеров антенны в целом.
Закономерными следствиями этого являются предпочтительное использование высокопрочных материалов с малой плотностью; исключение или минимизация элементов крепления антенны; замещение металлических изделий узлами и деталями, выполненными из полимерных композиционных волокнистых материалов, обеспечивающих повышенную коррозионную стойкость, эксплуатационную стабильность и высокий коэффициент использования материала [3].
Требования к конструкционным материалам предполагают использование для проектирования антенного отражателя материала, в котором сочетались бы требования малой плотности, высоких физико-механических свойств и минимальных деформаций в диапазоне эксплуатационных температур [3]. Выбор такого материала осуществлялся на основе сопоставления характеристик различных материалов. Часть из этих характеристик представлена в табл. 3 [2].
Решение об использовании углеродных композиционных материалов для проектирования ЗА бортового комплекса подтверждается высокими прочностными характеристиками, малой плотностью и минимальным коэффициентом температурного расширения [2]. Однако углеродные волокна обладают существенной анизотропией физико-механических
Таблица 3
Параметр материала Единица измерения Алюминиевый сплав Углекомпозит
АМц АМг2 АМг6 АК6 КМУ-2л КМУ-3 КМУ-4 КМУ-44П
Предел прочности кг/ мм2 13 19 30 42 70 110 110 70
а -106 1 °С 24 23.8 24 21.4 2.5 2.5 1.2 1.2
Плотность г/см3 2.73 2.67 24.0 21.4 1.35 1.4 1.45 1.45
Таблица 4
Материал элемента конструкции Конструктивное решение Приемы обеспечения точности профиля
Полимерная матрица, армированная углеродными волокнами Многослойная конструкция из отдельных ориентированных монослоев Выбор и обоснование типа полимерной матрицы
Выбор и обоснование типа армирующих волокон
Выбор и обоснование схемы армирования - количества и взаимной ориентации (углов укладки) монослоев
Оценка устойчивости схем армирования к нарушениям углов укладки монослоев
свойств вдоль и поперек волокна, что определяет склонность выполненных из углекомпози-тов многослойных конструкций к короблению. Поэтому необходимо проведение дополнительных исследований, направленных на разработку конструкции и технологии ее изготовления, обеспечивающих требуемые характеристики точности профиля АУ. При этом конструкционная анизотропия может рассматриваться не как недостаток структуры, а как дополнительная степень свободы, рациональное использование которой позволит решить проблему формообразования прецизионной сложнопрофильной конструкции.
Выбор схемы армирования антенного устройства предполагает учет как количества и ориентации монослоев, так и влияния погрешностей, возникающих при выкладке монослоев в процессе изготовления отражателя [3]. Этот этап СФК описывается матрицей структурирования, приведенной в табл. 4. На этапе проектирование ЗА выполняются выбор и обоснование принимаемых конструкторских решений, а также оценивается устойчивость этих решений к стохастическим нарушениям схем армирования прецизионных поверхностей антенного устройства бортового комплекса.
Процессная матрица связывает технологический процесс производства компонентов с соответствующими ИПДК. На этом этапе структурирования ИПДК претерпевают изменения в зависимости от фаз технологического процесса, а их значения должны восприниматься как контрольные точки, причем снимаемая в этих точках информация должна отвечать всем требованиям измеримости, сопоставимости и регулируемости.
При моделировании технологического процесса формования элементов ЗА из полимерных композитов в качестве оптимизируемых параметров должны быть учтены физико-механические характеристики материала и характеристики коробления изделия: коэффициент армирования ; плотность р; продольный модуль упругости £1; поперечный модуль упругости £2; продольный ТКЛР а1; поперечный ТКЛР а2 ; прочность при растяжении Стр; прочность при сдвиге тс; ударная вязкость а; коробление х.
Моделирование технологического процесса формования АУ сводилось к ранжированию измеримых параметров материала, выделению базового параметра (или группы параметров), оказывающих определяющее влияние на ИПП ЗА и на результирующие характеристики бортового комплекса в целом, к уточнению номенклатуры управляемых технологических режимов (временные интервалы, температура, давление и т. п.), обеспечивающих наилучшее значение базового параметра.
Процессная матрица составлялась для указанных в плановой матрице требований к разрабатываемому антенному устройству с учетом ранжирования ИПДК. Ранжирование
Таблица 5
Ха-рак-терис-тика Частные требования к устройству Мультипликант Накопленный вес, %
Устойчивость к климатическим воздействиям Пространственная избирательность Устойчивость к механическим воздействиям Помехозащищенность Скорость сканирования
Ранжированная значимость по частному требованию
X 8 10 5 10 5 20 000 40
£1 5 5 10 5 7 8 750 57
р 6 6 4 6 8 6 912 71
Ув 7 7 3 7 4 4 116 79
а1 10 8 2 8 3 3 840 87
£2 4 4 9 4 6 3 456 94
«2 9 9 1 9 2 1 458 97
аР 2 3 7 3 10 1 260 99
тс 1 2 8 2 9 288 99.96
а 3 1 6 1 1 18 100
Суммарное значение 50 098 -
проводилось методом экспертных оценок значимости каждого из выделенных свойств композиционного материала на обеспечиваемость частных требований к антенному устройству. Для рассматриваемого примера технологического процесса формования ЗА из полимерных композитов процессная матрица приведена в табл. 5. Мультипликант определялся произведением количественных экспертных оценок в предыдущих столбцах для каждой выделенной характеристики [3].
Процесс формования АУ характеризуется различными управляемыми и неуправляемыми факторами, количество которых во многом определяется количеством ступеней процесса отверждения связующего. Процессная матрица позволила сформулировать повышенные требования к ряду параметров материала и снизить требования к остальным параметрам.
Применительно к рассматриваемому примеру можно сделать вывод о возможности (и необходимости) корректировки технологических режимов формования полимерного композита. Конкретное применение полимерного композита в ЗА для бортовых комплексов требует в соответствии с процессной матрицей преимущественно минимизации коробления материала, обеспечивающей удовлетворение основных запросов потребителя, поскольку накопленный вес составляет 40 %.
Результаты моделирования технологии формования ЗА из полимерных композитов, подтверждают возможность улучшения базовых параметров материала на 30...40 % по сравнению с реализацией традиционных технологических режимов [4].
Вариант 2. Альтернативными вариантами построения АУ БРЭО являются ВЩА, обладающие по сравнению с ЗА более низким уровнем бокового излучения и повышенным коэффициентом использования поверхности. В то же время недостатком резонансных ВЩА является более узкая полоса рабочих частот.
Основное практическое применение находят следующие конструкторско-технологи-ческие решения ВЩА:
• на основе волноводных труб стандартного сечения;
Таблица 6
Элемент конструкции Конструктивное решение Технологические приемы обеспечения амплитудно-фазового распределения
Резонансная ВЩА Многослойная конструкция, выполненная из алюминиевого сплава АМц и предназначенная для высокотемпературной пайки Сборка распределительной системы и излучающего полотна
Дозирование и навеска припоя
Обезвоживание флюса и высокотемпературная пайка
Отмывка остатков флюса и доработка паяного изделия
• на основе штампованных листовых деталей и волноводных труб стандартного сечения;
• на основе штампованных листовых и фрезерованных деталей.
Данное разделение характеризует, в основном, принципы компоновки ВЩА и обусловленные этими принципами технологические особенности (табл. 6). Оно достаточно условно, поскольку в пределах даже одной разработки неизбежно присутствуют признаки двух или даже всех трех типов ВЩА.
ВЩА второго и третьего типов изготавливают из алюминиевого сплава АМц с последующей пайкой предварительно собранной антенны с установленным припоем. Основным методом пайки ВЩА является пайка погружением в солевые расплавы. Этот способ несмотря на высокую стоимость оборудования и повышенный расход флюса наиболее производителен, обеспечивает равномерный прогрев конструкции, качественное флюсование и позволяет применить менее активные (по сравнению с печной пайкой) флюсы. Его основная особенность - необходимость предварительного подогрева изделия перед погружением в солевой расплав для предотвращения попадания в ванну влаги и коробления изделия.
Проектирование и технологическое обеспечение ВЩА проводились по критериям, представленным в процессной матрице (табл. 7). Применительно к рассматриваемому примеру первые пять характеристик обеспечивают практически полное (относительный мульти-пликант 90.5 %) удовлетворение требований потребителя. При этом суммы присвоенных экспертных оценок подтверждают особую значимость технологического обеспечения механической прочности и электрогерметичности соединений, образованных при высокотемпературной пайке конструкции ВЩА. Высокая оценка температуры пайки совершенно естественна и реализуется выбором марок припоя и флюсующих средств, методов дозирования паяльных паст и применением специального технологического оснащения и конструктивных решений, минимизирующих коробление паяемого изделия.
При сборке ВЩА используются технологические выступы (шипы) и прямоугольные (круглые) отверстия для крепления элементов ВЩА под пайку, размеры и форма которых зависят от толщины сопрягаемых деталей.
При использовании листовых материалов толщиной 0.5...0.8 мм для фиксации деталей применяют поворот на 45. 90° верхней части выступов относительно первоначального положения. В этом случае пазы выполняются прямоугольной формы; длина паза определяется толщиной сопрягаемой детали и должна обеспечить зазоры между стенками паза и выступом не более 0.05 мм.
Для деталей с толщинами 0.8.1.0 мм фиксацию выступа в пазе целесообразно производить раскерниванием. Керн затачивается в виде ножа с односторонней заточкой. При
Таблица 7
Характеристика Частные требования к устройству Муль-типли-кант Накопленный вес, %
Устойчивость к климатическим воздействиям Пространственная избыточность Устойчивость к механическим воздействиям Помехо- защищенность Скорость сканирования
Ранжированная значимость по частному требованию
1. Электрические длины каналов запитывающей системы 3 10 2 10 5 30 000 28.5
2. Механическая прочность паяных соединений 8 6 10 6 10 28 800 55.8
3. Дозировка припоя при пайке 7 7 7 8 8 21 952 76.6
4. Температура пайки 6 4 9 4 9 7 776 84
5. Электрогерметичность смежных каналов излучающего полотна 4 9 3 9 7 6 804 90.5
6. Тип защитных покрытий конструкции 9 5 5 5 6 6 750 96.9
7. Качество отмывки активных флюсов 10 3 8 3 3 2 160 98.9
8. Толщина стенок волноводных каналов 1 8 4 7 4 896 99.8
9. Уровень обезвоживания солевого расплава 5 2 6 2 2 240 99.99
10. Экологичность процесса пайки 2 1 1 1 1 2 100
Суммарное значение 105 380 -
раскернивании выступов их отогнутые концы фиксируют ответную деталь, а деформации обеих деталей, образующих волноводный канна, имеют минимальные значения.
При использовании листовых материалов толщиной 1.0.. .1.5 мм фиксация технологического выступа в пазе также производится раскерниванием, однако в этом случае поверхность керна выполняют конусообразной с притупленным острием. Высота выступа на 0.1.0.2 м превосходит толщину детали, в которой выполнен паз.
Припой для пайки ВЩА используют в виде полосок (шириной до 6 мм) из силумина эвтектического, прокатанного до 0.06.0.08 мм. Прочность на срез паяных соединений в
указанных диапазонах зазоров находится в пределах 9.11 кг/мм2 .
В процессе пайки расправленный припой заполняет зазор между соединяемыми деталями и образует (при соединении "в тавр") двусторонние галтели. С учетом частичного уноса припоя расплавом солей и затеканием припоя в зазоры, образованные технологическими пазами и элементами крепления узких стенок волноводных каналов, максимальный радиус галтели при заданных ширине заготовки припоя а, величине зазора между деталями Ь и
толщине стенок соединяемых деталей г определяется как гтах «1.5>/Ь( а - г) . Теоретиче-
гтах, мм
гтах, мм
0.56
0.47
0.38
0.05
0.075
Ь, мм
0.05
0.075
Ь, мм
Рис. 1
Рис. 2
ские значения максимального радиуса гтах галтели паяного соединения для типичных значений а, Ь, ^ приведены на рис. 1 и 2 [5].
Размеры волноводных каналов, образованных штампованными деталями, зависят от варианта укладки припоя. При установке припоя между соединяемыми деталями его толщина составляет 0.06 ± 0.01 мм и возникновение капиллярного эффекта гарантировано. Выступы выполняются на деталях, образующих узкие стенки волноводов, размер которых образован суммой размеров штампованной детали и удвоенной толщиной припоя, при этом размер узкой стенки волновода имеет отклонение от номинала 0.0.1 мм. Компенсация этой погрешности достигается корректировкой размера штампованной стенки, а также использованием при пайке специальных термокомпенсирующих приспособлений.
Соединения, предназначенные для пайки, должны:
• иметь капиллярный зазор 0.05.0.08 мм, обеспечивающий затекание в него припоя;
• обеспечивать возможность удаления остатков активных флюсов и не иметь замкнутых полостей, являющихся причиной образования дефектов в паяном шве;
• обеспечивать создание прочноплотных, коррозионно-стойких, вакуумно- и электрогерметичных паяных соединений.
При пайке сложнопрофильных алюминиевых конструкций ВЩА необходимо учитывать влияние эффекта разности зазоров на качество паяных соединений, поскольку припой затекает преимущественно в зазор оптимальной величины.
Высокая энергоемкость процессов флюсовой пайки алюминиевых конструкций погружением в солевой расплав является существенным ограничением для их широкого распространения. В качестве практической альтернативы могут рассматриваться технологии печной пайки с использованием высокотемпературных припойных паст, например ППС-600 на основе порошка алюминиево-кремниевого сплава АКД12-2С. При переходе на энергосберегающую технологию процессная матрица (см. табл. 7) модифицируется с введением дополнительного запроса "Энергоемкость процесса пайки элементов ВЩА" и расчетом соответствующих ранжированных значимостей.
Последним видом документов СФК являются технологические инструкции, которые формулируют требования для непосредственного исполнителя на каждом рабочем месте с учетом данных, содержащихся в приведенных документах (параметры процесса, точки контроля, требования процесса обеспечения качества). Технологические инструкции мо-
гут быть многовариантными, т. е. предусматривать возможные ситуации техпроцесса, порядок проведения контроля, перечень необходимых приборов и инструментов и т. п.
Таким образом, методы структурирования функций качества обеспечивают технически обоснованный выбор параметров, значения которых оказывают определяющее влияние на удовлетворение запросов потребителя. Использование данного аппарата позволило сформулировать конкретные требования к конструкции и технологии производства альтернативных вариантов построения антенных систем бортового радиоэлектронного оборудования. Представляется возможным расширенное использование этого аппарата и для смежных классов радиоэлектронных блоков и устройств.
Библиографический список
1. Системы управления. Инжиниринг качества / А. Г. Варжапетян, Е. Г. Семенова, В. А. Анохин и др.; Под ред. А. Г. Варжапетяна. М.: Вузовская книга, 2001. 320 с.
2. Балашов В. М., Семенова Е. Г., Трефилов Н. А. Технология производства антенн и устройств СВЧ. М.: Мир книги, 1992. 185 с.
3. Балашов В. М., Варжапетян А. Г., Семенова Е. Г. Менеджмент качества: принятие решения о качестве, управляемом заказчиком. М.: Вузовская книга, 2004. 360 с.
4. Балашов В. М., Семенова Е. Г. Оптимизация технологии формования антенных устройств из угле-композитов // Технология приборостроения. 2003. Вып. 3 (7). С. 72-80.
5. Жук А. В. Технология подготовки и контроля деталей конструкции и заготовок припоя при высокотемпературной пайке ВЩА // Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях. Междунар. межвузов. сб. науч. тр. СПб: Судостроение, 2006. Вып. 7. С. 48-55.
V. M. Balashov
"Leninetz-Holding" open society A. V. Zhuk, R. R. Shingareev "Kotlin-Novator" close corporation
Structuring of design-technological parameters of avionics antennas
Using the methods of structuring of the avionics quality functions, the requirements for design and technology of production of the alternative variants of antenna systems design have been concretized. Parameters which values significantly influence on satisfaction of customer's requirements have been marked out.
Quality functions structuring, on-board radio electronic equipment, antenna devices, design-technological parameters of mirror and slot-array antennas
Статья поступила в редакцию 25 октября 2006 г.
