(Ф) — пространство: тепловые модели. 
Связь надежности с тепловой и другими энергиями

Мы в будущем, твержу я им, как все, кто Жил в эти дни. А если из калек, То все равно: телегою проекта Нас переехал новый человек.

Пастернак Б. Л

В результате изучения главы 11 студенты должны: знать

• • подходы к тепловому проектированию; уметь
• • формировать системы разностных уравнений;
• • учитывать особенности решения нестационарных тепловых задач; владеть
• • методами компьютерного моделирования теплонагруженных элементов ТС.

Методология теплового проектирования

Подходы к тепловому проектированию

Современные комплексы микрои наноэлсктронной аппаратуры включают в свой состав разнообразные ТС: микроэлектронную аппаратуру, изделия микросистемной техники, точной механики идр. Постоянное ужесточение требований, предъявляемых к их параметрам и характеристикам, конструкциям, условиям эксплуатации, неизбежно приводит к усложнению связей между различными приборами и их узлами, функциональными схемами и конструкциями. Появляются новые технологии, новые материалы. Необходимостью является сокращение сроков разработки новой техники. Все это делает деятельность проектировщика качественно отличной от работы его коллег прежних лет.

Современные методы теплового проектирования должны соответствовать постоянно возрастающей сложности решаемых задач, что достигается за счет широкого применения САПР, которые постоянно развиваются и совершенствуются. Автоматизированное проектирование базируется^[1]

на применении системного подхода, характеризующегося рассмотрением объекта проектирования (прибора, ТС) в целом, с учетом связей между входящими в состав объекта подсистемами, в которых протекают процессы различной физической природы. САПР дают возможность разработчикам анализировать, синтезировать и оптимизировать проектируемые объекты в режиме диалога. Растет число и качество современных пакетов программ для САПР.

Процедура анализа часто проводится на основе результатов моделирования объекта. При моделировании необходимо разрабатывать ФММ объектов, выбирать адекватные вычислительные методы, позволяющие проводить необходимые расчеты, использовать современное программное обеспечение для ЭВМ. Применение системного подхода предполагает разработку и использование достаточно громоздких ФММ, что не позволяет решать подобные задачи без ЭВМ. Процедуры синтеза и оптимизации объектов сложны тем, что число параметров прибора или ТС может изменяться от сотен до сотен тысяч в зависимости от их устройства и специфики. Поэтому перебор возможных сочетаний значений параметров в режиме слепого поиска не проходит. Л значит, необходимо использовать современные компьютерные методы проектирования и оптимизации конструкций.

Для уменьшения трудностей, возникающих при решении задач анализа, синтеза и оптимизации конструкций, применяется блочно-иерархический метод проектирования. При его использовании в процессе проектирования объект рассматривается последовательно на разных уровнях иерархии с постепенно возрастающей степенью детализации. На каждом последующем уровне иерархии число вводимых конструктивных параметров становится все меньше по сравнению с их общим количеством и используются более простые ФММ. В САПР прибора или ТС подсистема теплового проектирования является одной из важнейших составных частей [ 14, 15, 25]. Она в значительной мере определяет работоспособность и надежность проектируемых объектов. Поэтому важно рассмотреть особенности ее построения и взаимосвязи с другими подсистемами.

Реализацию блочно-иерархического проектирования возможно осуществлять как в направлении от высших уровней иерархии объекта к низшим (сверху вниз), так и в обратном направлении — от низших уровней к высшим. Наиболее целесообразным для теплового проектирования принято считать движение сверху вниз. Это обусловлено тем, что тепловое проектирование на каждом иерархическом уровне необходимо проводить с учетом тепловых воздействий, зависящих от принятых «тепловых» проектных решений на более высоких иерархических уровнях. Например, не удастся спроектировать термостат для какого-то компонента ТС, если информация о тепловом режиме расположенных рядом с ним устройств, а также и всего объекта размещения этого компонента отсутствует.

Существенная часть теплового проектирования проводится уже на этапе обоснования конструкции прибора или ТС, определения самих принципов построения системы обеспечения нормального теплового режима проектируемого объекта. Нарушение такого хода проектирования, стремление сначала решить задачи обеспечения теплового режима устройств низших уровней иерархии, а уже после этого приступить к остальным, по мере очередности и необходимости, может привести к ошибкам и трудностям, на исправление и преодоление которых потребуется время.

Подсистема теплового проектирования должна быть связана с другими подсистемами при осуществлении различных видов проектирования: системотехнического, схемотехнического, конструкторского (рабочего), технологического. В конструкторском проектировании эта связь должна иметь характер прямой взаимосвязи, которая в настоящее время в значительной степени обеспечивается. Значительные усилия прикладываются специалистами для согласования вопросов обеспечения теплового режима проектируемого объекта с результатами его системо-, схемотехнического проектирования в оптической, механической, электрической и других подсистемах ТС, в том числе в космических аппаратах (КА), а также технологического проектирования, определяющего в конечном счете качество готовых объектов.

Как правило, проектирование любого объекта (прибора, ТС) начинается после того, как его требуемые функциональные характеристики уже получены на лабораторных макетах. И задача проектирования состоит с утилитарной точки зрения во вписывании в заданные габаритные, весовые, энергетические и прочие требования и ограничения, в том, чтобы добиться устойчивой работы устройства в заданных условиях эксплуатации.

Возникающие при таком подходе трудности в значительной степени связаны с необходимостью решения механических (по вибрациям, устойчивости к перегрузкам и т. д.) и тепловых (в том числе задачи обеспечения теплоотвода) задач проектирования. Решение этих задач может быть затруднено или даже вовсе невозможно при неудачно выбранной принципиальной схеме объекта (прибора, ТС), а также компонентов и элементов для его реализации. Например, выбор чувствительной к температурным возмущениям схемы прибора может повлечь за собой необходимость его термостабилизации. Может потребоваться разработка специальной системы обеспечения нормального теплового режима с жестко заданными габаритными, весовыми и энергетическими параметрами. Авторам данной книги неоднократно приходилось сталкиваться на практике с подобными ситуациями. Да и понимание допущенных проектировщиками ошибок приходило не сразу, часто только в ходе проведения тепловых испытаний.

При синтезе многих технических устройств иногда удается использовать прием, состоящий в выборе подходящей конструкции из множества похожих — базовых конструкций (БК) того или иного технического устройства, в том числе базовых несущих конструкций (БПК) МЭА. Если такой выбор подходящей БК состоялся, то на следующих стадиях проектирования проводится ее детальная проработка и параметрическая оптимизация.

Для иллюстрации упомянутых выше особенностей подсистемы теплового проектирования приведем в качестве примера перечень операций, выполняемых при тепловом проектировании МЭА на определенном иерархическом уровне компоновки [14, 151.

• 1. Выбор БК, системы охлаждения, обеспечивающей требования к тепловому режиму.
• 2. Выбор параметров Б К.
• 3. Компоновка модулей на рассматриваемом уровне с учетом монтажно-коммутационных, функциональных, конструктивно-технологических и теплофизических требований.
• 4. Выбор режимных параметров системы охлаждения (например, расходов теплоносителей).
• 5. Полный анализ теплового режима и проверка соответствия температур в выбранном варианте конструкции требованиям ТЗ.

При решении задач 2—4 могут быть использованы некоторые формальные процедуры оптимизации (например, при размещении компонентов или при распределении расходов воздуха между платами, между блоками и т. п.). В случае невыполнения требований ТЗ проводятся изменения режимных параметров системы охлаждения, компоновки, конструктивных параметров или выбирается иная Б К с последующим повторением всех перечисленных этапов проектирования.

Основой теплового проектирования является моделирование процессов теплообмена в приборах и приборных комплексах. Используемые модели должны быть достаточно общими и охватывать значительное многообразие конструкций. Они должны быть реализуемыми математически и в то же время адекватны процессам, протекающим в объектах. Выполнение этих требований и составляет основную сложность проблем теплового проектирования.

• [1] Пастернак Б. Л. Когда я устаю от пустозвонства // Полное собр. соч. В 11 т. М.: Слово, 2004. Т. 2. С. 81.