Методический подход для директивного назначения нормативов точности стендового оборудования при определении характеристик массо-инерционной асимметрии беспилотных летательных аппаратов

Для нашего случая данный тип пустот классифицируется как макропустоты.

Наличие макропустот оказывает отрицательное влияние на механические свойства соединений, прочность, пластичность и усталостную долговечность. Ухудшение свойств может также происходить вследствие увеличения деформации припоя, вызванного пустотами. Такие пустоты могут служить причиной точечного перегрева, снижая надежность паяного соединения.

Анализ иностранной нормативной базы показал, что заказчик может установить допустимый уровень таких пустот, в зависимости от требований к прибору [4]. В данном случае, дальнейшая эксплуатация прибора допускала наличие такого дефекта. В следующих изделиях предполагается их исключить или выйти на уровень меньше 25% [5].

В ходе изучения темы было выявлено, что значительное влияние на образование пустот оказывает состав и структура паяльных паст. Также имеет значение, количество паяльной пасты на контактной площадке, её избыток способствует образованию этого дефекта. Исследования показали,

что содержание пустот уменьшается с увеличением активности флюса [2].

На образование пустот не меньшее влияние оказывает температурный режим в процессе пайки поверхностного монтажа, например, этот дефект образуется в случае недостаточной температуры пайки, либо при слишком быстром повышении температуры на стадии предварительного нагрева.

Положительный эффект даёт увеличение времени пайки при температуре выше температуры ликвидуса при плавлении, чтобы летучие вещества флюса успели испариться.

Монтаж микросхемы 18 92ВМ8Я был выполнен без дефектов, благодаря оптимальному подбору технологических параметров. При пайке более сложной для монтажа (меньше диаметр шарикового вывода, меньше расстояние между выводами) микросхемы 1892ВМ10Я образуются дефекты пайки - пустоты.

Для исключения этого дефекта требуется провести исследования по подбору паяльной пасты и технологических режимов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Система навигации и автоматического управления БПЛА с бортовым вычислителем на базе микропроцессора 1892ВМ8Я / Логинов А.Ю., Придачкин Д.Г., Шустов А.Л., Андреев С.В., Андреев Д.В.// Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н. Е. Жуковского. 2017. № 5. С. 367-372.

2. Нинг-Ченг Ли, Технология пайки оплавлением, поиск и устранение дефектов: поверхностный монтаж, BGA, CSP, и flip chip технологии. - М.: Издательский Дом "Технологии", 2006г. - 392 с., илл., табл.

3. Печатный монтаж 2-2010 стр.30-32, Г. Егоров Пустоты в паянных соединениях корпусов BGA.

4 IPC -7095 Design and assembly process implementation for BGAs - Assocation connecting electronics industries/ -2003/ -88 p.

5. IPC-A-610D Критерии качества электронных сборок 2001.

6 Исследование качества пайки BGA микросхем/Тюлевин С.В., Архипов А.И., Пиганов М. Н.//Труды международного симпозиума Надежность и качество. - 2013. - Т.2. -С. 222-224.

7. Обеспечение качества компоновки монтажных контактных площадок высокоплотной коммутационной платы/Гриднев В.Н., Миронова Ж.А., Шахнов В.А.//Надежность и качество сложных систем. - 2014. -№4(8) -С.19-25.

УДК 621.828

Ключников А.В., Абышев Н.А.

Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. академ. Е.И. Забабахина», Снежинск, Россия

МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД ДЛЯ ДИРЕКТИВНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НОРМАТИВОВ ТОЧНОСТИ СТЕНДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ХАРАКТЕРИСТИК МАССО-ИНЕРЦИОННОЙ АСИММЕТРИИ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Рассматривается обоснование требований к точности измерительного стендового оборудования, используемого на заключительном этапе общей сборки беспилотного летательного аппарата для экспериментального определения и обеспечения параметров его массо-инерционной асимметрии. Приведён пример оценки инструментальной точности контрольно-измерительного стенда Ключевые слова:

БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ, ОСЬ СИММЕТРИИ, ЦЕНТР МАСС, ОСЬ ИНЕРЦИИ, МАССО-ИНЕРЦИОННАЯ АСИММЕТРИЯ, БАЛАНСИРОВКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ СТЕНД, ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ

Обеспечение максимальной эффективности эксплуатации является одной из важнейших задач, решаемых разработчиками при создании беспилотного летательного аппарата (БЛА). Например, при проектировании, конструировании и изготовлении БЛА, выполненного в форме конического тела вращения и стабилизируемого вращением вокруг оси симметрии своей наружной поверхности, разработчики обычно стремятся придать симметричную форму и обеспечить совпадение оси симметрии распределения масс аппарата с осью симметрии наружной поверхности корпуса (так называемой, геометрической осью аппарата). Но в процессе изготовления и сборки появляется асимметрия в распределении масс внутри корпуса аппарата, источником которой являются неизбежные случайные отклонения характеристик аппарата полезных грузов, а также элементов бортовой автоматики и системы управления, жгутов (масса, моменты инерции, координаты установки), использование клеевых соединений, крепежа и т.п., компонуемых внутри корпуса. В частности, в соответствии с рисунком 1, к параметрам, характеризующим асимметричность распределения масс относительно геометрической оси БЛА и в существенной мере влияющим на его лётно-технические характеристики, относятся - величина поперечного смещения центра масс с оси симметрии наружной поверхности р и угол отклонения продольной главной центральной оси инерции (ГЦОИ) от той же оси 7 [1, 2]. Несмотря на весьма малые

фактические значения, наличие массо-инерционной асимметрии может привести к возникновению аномальных режимов движения аппарата в атмосфере, обусловленных его динамической неустойчивостью (таких, например, как существенное уменьшение скорости движения по сравнению с расчётной, значительному отклонению от расчётной траектории, уменьшению или остановке вращения или закрутке аппарата в обратном направлении и др.), что, в свою очередь, может привести к появлению участков так называемого «лунного» движения, неравномерному нагреву корпуса, снижению точности функционирования датчиковой аппаратуры и исполнительных механизмов, повышению энергопотребления бортовыми потребителями и, в конечном итоге, снижению эффективности эксплуатации БЛА. Конечно же, отсутствие параметров асимметрии не может полностью исключить вероятность появления аномальных режимов движения, но, по крайней мере, такая вероятность уменьшается до допустимой величины по критерию влияния последствий динамической неустойчивости на лётно-технические характеристики БЛА [2, 3].

Точность теоретического расчёта массо-центро-вочных и инерционных характеристик (МЦИХ), в том числе указанных параметров массо-инерционной асимметрии, который обычно проводят при проектировании, при существующих технологиях производства приборов и сборки аппаратов традиционно

не превышают 10%-20% фактических значений рассчитываемых характеристик, что явно недостаточно для современных БЛА.

Рисунок 1 - Параметры массо-инерционной асимметрии

Однако очевидно, что попытка получения высокой точности МЦИХ (массы, координат центра масс, моментов инерции) расчётным путём может привести к настолько существенному удорожанию производства БЛА ввиду значительного ужесточения требований к технологии изготовления составных частей, что сделает его производство фантастически дорогостоящим и поэтому практически невозможным. Таким образом, требование обеспечения устойчивости движения стабилизированного вращением БЛА и, соответственно, повышения эффективности его эксплуатации делает актуальной задачу экспериментального определения фактических значений МЦИХ и приведения параметров массо-инерционной асимметрии к заданным в эксплуатационной документации на аппарат нормативам на заключительном этапе его общей сборки. Эта задача обычно решается путём установки балансировочных грузов на плоскость коррекции (как правило, конструктивно расположенную вблизи торца корпуса аппарата) после изготовления и сборки БЛА. Массу и углы установки балансировочных грузов рассчитывают по результатам измерений МЦИХ и параметров массо-инерционной асимметрии, полученных с применением специализированных контрольно-измерительных

стендов. В последнее время наблюдается ужесточение требований к определению и обеспечению параметров остаточной (после уравновешивания) массо-инерционной асимметрии БЛА. Это, в свою очередь, предъявляет повышенные требования к точности определения и обеспечения этих параметров. Отсюда возникает задача, - какие требования следует предъявлять к точности экспериментального оборудования, используемого для контроля параметров массо-инерционной асимметрии?

Очевидно, что характеристики инструментальной точности контрольно-измерительного оборудования, используемого для экспериментального определения действительных значений МЦИХ, являются одним из основных факторов, определяющих дальнейшее повышение требований к точности обеспечения задаваемых нормативов статической и мо-ментной балансировки БЛА и, следовательно, повышение эффективности их применения. Зачастую в нормативной документации предписывается требование обеспечения коэффициентов точности КТ > 3 при контроле МЦИХ (кроме массы, для контроля которой обычно требуется обеспечить коэффициент точности КТ > 5). Теоретически, зная характеристики инструментальной точности стенда и увеличивая количество измерений п в ходе балансировочного эксперимента, погрешность измерений контролируемых параметров можно снизить до очень малого значения в соответствии с формулой

где Ох - есть случайная погрешность измерений [4, 5]. Однако на практике продолжительность эксперимента по определению параметров массо-инерци-онной асимметрии БЛА может превышать несколько

часов, а проведение большого числа измерений связано со значительными временными затратами, в течение которых (с целью обеспечения единства результатов измерений) необходимо поддержание условий окружающей среды неизменными, становится сложной и весьма дорогостоящей инженерной задачей. Поэтому число измерений зачастую является конечным, а при выполнении высокоточных измерений параметров - число измерений должно быть сокращено до единственного измерения. Также следует отметить, что для того, чтобы не вносить в результаты измерений дополнительные погрешности, связанные с переустановками объекта контроля на измерительном устройстве стенда, желательно использовать стендовое оборудование, обеспечивающее погрешность измерений контролируемых параметров, втрое меньшую, нежели допустимая погрешность определения контролируемых параметров БЛА, при однократной установке объекта контроля на измерительное устройство.

Следует также отметить, что в соответствии с метрологическими рекомендациями [4] погрешность определения нормируемых параметров, в том числе, обеспечиваемых параметров массо-инерционной асимметрии БЛА, должна быть, как минимум, втрое меньше задаваемого в эксплуатационной документации на БЛА предельно-допустимого значения параметра. Таким образом, при выборе оборудования для контроля параметров массо-инерционной асимметрии беспилотных летательных аппаратов следует руководствоваться характеристиками инструментальной точности, по крайней мере, в 9 раз превышающими предельно-допустимые значения указанных параметров, задаваемых в эксплуатационной документации на контролируемый БЛА. Это означает, что контрольно-измерительные стенды, применяемые для определения и обеспечения значений поперечного смещения центра масс и угла перекоса продольной ГЦОИ, предельно-допустимые значения которых равны, например, 0,3 мм и 20 угловых минут, должны иметь точность измерений этих параметров в заданных диапазонах измерений не хуже соответственно 0,033 мм и 2,2 угловой минуты. Очевидно, что по мере совершенствования БЛА и ужесточения требований к сбалансированности их конструкции после изготовления и сборки, одновременно должна повышаться и инструментальная точность стендового оборудования, применяемого для контроля МЦИХ и обеспечения параметров массо-инерционной асимметрии аппаратов. Естественно, проектируемое и применяемое для контроля МЦИХ стендовое оборудование также должно исключать воздействие мощных электро-магнитных полей на уравновешиваемый аппарат в процессе выполнения измерений и возможность механического контакта наружных поверхностей БЛА с технологическим оборудованием (при выполнении измерений в динамическом режиме), а также должно учитывать характерные конструктивные особенности БЛА, в частности, значительные габаритные размеры и массу, наличие неметаллической наружной поверхности корпуса, наличие нежёстких и далеко выступающих за пределы корпуса элементов конструкции, а также коническую форму корпуса и отсутствие удобной технологической базы для закрепления аппарата на рабочем органе контрольно-измерительного стенда, наличие единственной, расположенной на значительном расстоянии от центра масс, плоскости коррекции, которая может быть использована для уравновешивания аппарата.

Учитывая высокие характеристики точности динамических балансировочных станков (стендов), закономерной является наметившаяся в последнее время тенденция к их использованию для определения и обеспечения параметров массо-инерционной асимметрии БЛА. В работах [3, 6, 7] рассмотрена математическая постановка задачи балансировки БЛА, выполненного в форме конического тела вращения, на вертикальном низкочастотном динамическом балансировочном стенде с газовыми опорами. Конструкция стенда обеспечивает в процессе выполнения измерений вращение контролируемого БЛА в опорах с постоянной угловой скоростью вокруг

геометрической оси аппарата. Методика балансировки обеспечивает определение поперечного смещения центра масс c погрешностью не более 0,01 мм при определении и перекоса продольной ГЦОИ c погрешностью не более 10 угловых минут при определении, приведено описание опытного образца стенда. То есть на основе показаний измерительной системы стенда [8-10] до таких величин могут быть доведены смещение центра масс и угол

отклонения продольной ГЦОИ относительно геометрической оси контролируемого БЛА. Это означает, что в настоящее время применение стенда в операциях по контролю указанных параметров массо-инерционной асимметрии БЛА позволяет задавать допуск на величину смещения центра масс до 0,0 9 мм, а на угол перекоса продольной ГЦОИ - до 9 угловых минут [6, 11].

ЛИТЕРАТУРА

1. Правдин В.М., Шанин А.П. Баллистика неуправляемых летательных аппаратов. - Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 1999. - 496 с.

2. Ярошевский В.А. Движение неуправляемого тела в атмосфере. М.: Машиностроение, 1978. - 168 с.

3. Ильиных В.В., Ключников А.В., Лысых А.В., Михайлов Е.Ф., Тимощенко А.Г. Технология обеспечения качества при изготовлении высокоскоростных неуправляемых летающих моделей // Вестник СибГАУ, 2013. - №3 (49). - С. 191-196.

4. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. - М.: Издательство стандартов, 1975. - 336 с.

5. Богданов Г.П., Кузнецов В.А. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники. - М.: Радио и связь, 1990. - 240 с.

6. Ключников А.В. Развитие и совершенствование алгоритма одноплоскостной балансировки в динамическом режиме высокоскоростной летающей модели // Вестник СибГАУ, 2015. - Том 16. - №2. - С. 411416.

7. Ключников А.В. Уточнённая математическая модель оценки и обеспечения параметров массо-инер-ционной асимметрии длинномерного роторного модуля» // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2-х томах. - Пенза, 2012. - Том 1. - С. 224-227.

8. Ключников А.В., Шагимуратов М.Д. Принципы построения и структура системы диагностики асимметричности в распределении масс летательного аппарата // Научно-технический вестник Поволжья, 2015. - №2. - С. 141-143.

9. Абышев Н.А., Андреев С.В., Ключников А.В. Конструктивные особенности стенда для диагностики характеристик асимметрии масс летательных аппаратов // Авиакосмическое приборостроение, 2015. -№1. - С. 39-45.

10. Патент РФ на изобретение №2292533, МПК G01M 1/02. Балансировочный стенд с вертикальной осью вращения / Ю.П. Фомин, А.В. Ключников, Л.М. Глазырина, Г.Г. Смирнов, А.И. Мальгин, М.С. Карповицкий // Опубл. В БИ №3 от 27.01.2007. Приоритет от 27.04.2004.

11. Абышев Н.А., Ключников А.В., Михайлов Е.Ф., Чертков М.С. Стенд для прецизионной бесконтактной балансировки конических роторов в динамическом режиме // Труды 19 международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2-х томах. - Пенза, 2014. - Т. 2. - С. 234-236.

УДК 681.3

Андреев С.В., Власов М.А., Ильиных В.В., Ключников А.В. , Плетенев И.В.

Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. академ. Е.И. Забабахина», Снежинск, Россия

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ И КАЧЕСТВА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПУТЕМ УЛУЧШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ И ИСПЫТАНИЙ

В статье рассматриваются вопросы надёжности программного обеспечения беспилотного летательного аппарата. Показано, что отработка и тестирование программного обеспечения должны проводиться на протяжении всего процесса разработки аппарата с использованием методов математического, имитационного и полунатурного моделирования и натурных испытаний. Использование оборудования, обеспечивающего реальные воздействия на инерциальные датчики и приёмник спутниковой навигации, позволяют кратно снизить затраты на создание программного обеспечения и повысить глубину и качество его отработки Ключевые слова:

БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, СИСТЕМА НАВИГАЦИИ, НАДЁЖНОСТЬ ИСПЫТАНИЯ

аппаратных средств, так и надёжностью программного обеспечения, реализующего алгоритмы навигации и управления аппаратом, поскольку ошибка в ПО может вызвать сбой в системе, который приведет к её отказу и, соответственно, к потере работоспособности БПЛА.

Навигационная система беспилотного летательного аппарата (БПЛА) представляет собой аппаратно-программный комплекс, программное обеспечение (ПО) которого работает только на определённой конфигурации аппаратуры, в ограниченном диапазоне изменений его состава и структуры данных и обеспечивает решение следующих задач: непрерывное определение координат и текущих параметров движения методами инерциальной или инер-циально-спутниковой навигации и прогноз положения аппарата в пространстве, а также выдачу информации в систему управления рулевыми приводами (РП) для реализации требуемых параметров тра-екторного движения аппарата [1, 2]. Программное обеспечение БПЛА, как правило, имеет модульную структуру [3] и включает в свой состав набор драйверов, обработчиков прерываний от внешних устройств и таймеров, программные модули, реализующие алгоритмы навигации и управления, а также программу-диспетчер, контролирующую выполнение циклограммы работы аппарата. ПО должно обладать необходимым уровнем надежности, обеспечивающим возможность выполнения аппаратом поставленной перед ним задачи.

Как определено в ГОСТ Р 51904-2002 [4], процесс разработки ПО является последовательностью выполнения этапов, в соответствии с рисунком 1.

Очевидно, что качество функционирования навигационной системы определяется как надёжностью

Рисунок 1

Этапы, выполняемые в процессе разработки ПО