mgr inŝ. Dariusz TEFELSKI mgr inŝ. Grzegorz TEFELSKI mgr inŝ. Marcin SZAŁAŃSKI Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia OCENA STATYSTYCZNA REALIZACJI PARAMETRÓW ZABEZPIECZEŃ CZASOWYCH UKŁADÓW UZ-KX W OPARCIU O WYNIKI BADAŃ PROWADZONYCH W WITU W artykule przedstawiono wyniki badań parametrów układów zabezpieczających UZ-KX dla rakiet 3M9ME. Wybraną próbkę układów poddano badaniom w zaleŝności od napięcia zasilającego oraz od temperatury w komorze klimatycznej. Badaniom poddano takŝe kluczowe, dyskretne elementy elektroniczne odpowiedzialne za wytworzenie opóźnień czasowych. Poddano ocenie zgodność parametrów układów UZ-KX z ZTT. Do badań wykorzystano zautomatyzowaną aparaturę pomiarową opracowaną w zakładzie Z-15 tester układów zabezpieczeń w oparciu o kasetę PXI National Instruments oraz oprogramowanie LabVIEW. 1. Wstęp W trakcie budowy i eksploatacji kolejnych partii układów zabezpieczeń UZ-KX zaistniała potrzeba kontroli parametrów i odporności układów na określone czynniki środowiskowe. Partie układów budowanych w kolejnych latach ze względu na dostępność podzespołów elektronicznych zawierały układy róŝnych producentów charakteryzujące się często odmiennymi parametrami. PoniewaŜ układy zabezpieczeń dostarczane są uŝytkownikowi wraz z gwarancją prawidłowego ich działania przez określony czas oraz nierzadko przechowywane są w róŝnych warunkach u odbiorcy, w rakietach po modernizacji, badania stabilności parametrów układów zabezpieczeń zyskują waŝną rolę w procesie produkcyjnym. Na przestrzeni lat powstawały takŝe unowocześnione wersje układów zabezpieczeń. NaleŜało zatem zweryfikować dokonane usprawnienia. Do badań wytypowano próbkę urządzeń z lat: 2000-2004. Układy przetestowano badając realizację poszczególnych funkcji układu w zaleŝności od poziomów napięć sterujących i zasilających oraz poddając wybrane urządzenia zmiennym warunkom klimatycznym w komorze klimatycznej HERAUS Vötsch HC 7057. 2. Metoda badawcza Zasadniczym sposobem działania układów zabezpieczających UZ-KX jest wypracowanie sygnału zadziałania pobudzającego ładunek bojowy rakiety w sytuacjach uznanych za niebezpieczne. Układy zabezpieczeń montowane są na rakiecie 3M9ME i zapewniają jej bezpieczne uŝytkowanie na polskich poligonach. Dzięki układom rakieta ulega samozniszczeniu w przypadku przekroczenia 195
ustalonego czasu lotu zdeterminowanego rozmiarami poligonu, w przypadku braku sygnału naprowadzania w startowym odcinku toru lotu jak i w marszowym odcinku toru lotu oraz w przypadku zaniku napięcia zasilania pokładowego rakiety. Parametry czasowe realizowane przez układ zabezpieczeń przedstawia tabela 1. Tab.1 Lp. Parametr Pr. Wartość 1 Maksymalny czas lotu rakiety* TM 22 ± 1 sek. 2 Zanik sygnału od celu na startowym odcinku toru lotu* TS 2,5 ± 0,3 sek. 3 Zanik sygnału od celu na marszowym odcinku toru lotu Tm 2,5 ± 0,3 sek. 4 Zanik napięcia zasilania pokładowego TU 2,5 ± 0,5 sek. * Reakcja układ UZ-KX mierzona jest od momentu zrzutu, wystąpienia komendy RKR początek naprowadzania. Metoda badawcza opierała się na wykonaniu pomiarów dwóch kluczowych parametrów czasowych TM i Tm za które odpowiedzialne są oddzielne obwody elektryczne UZ-KX. W celu sprawdzenia działania układu zabezpieczeń konieczne jest zasymulowanie lotu rakiety w postaci odpowiednich sekwencji sygnałów elektrycznych. Nieprawidłowości występujące w tych sygnałach są przyczynkiem wygenerowania odpowiednich czasów przez układ zabezpieczenia. Do wykonania testów wykorzystano opracowany w zakładzie Z-15 tester oparty na komputerze przemysłowym firmy National Instruments i oprogramowaniu LabVIEW. Badaniu podległy takŝe elektroniczne elementy dyskretne (kondensatory) odpowiedzialne za generowanie właściwych interwałów czasowych. Do ich przebadania wykorzystano mostek LRC Hioki 3522-50 LCR HiTESTER. 3. System pomiarowy Tester zbudowany na bazie komputera przemysłowego National Instruments oraz oprogramowania LabVIEW (kaseta National Instruments PXI-1002, moduł komputera PXI-8171 (Pentium III 866Mhz, 128MB RAM), wielofunkcyjna karta pomiarowa PXI-6040E (standard Compact PCI), zewnętrzny interfejs dopasowujący, zasilacz 27V Mostek LRC Hioki 3522-50 LCR HiTESTER Komora klimatyczna HERAUS Vötsch HC 7057 196
Rys. 1 Wygląd stanowiska pomiarowego zbudowanego przy komorze klimatycznej. 4. Wyniki badań A) Badanie zaleŝności parametrów TM oraz Tm od wartości napięcia zasilającego układ UZ-KX Wykonano serię testów za pomocą układu testera zmieniając stopniowo napięcie zasilające od 20V do 30V. Nominalne napięcie pracy układu UZ-KX to 27V. Wyniki przedstawiają wykresy na rysunkach 2 i 3. Niepewności określenia czasu TM i Tm wynoszą 10ms. Niepewność określenia napięcia wynosi 10mV. ZaleŜność parametru TM od napiecia zasilającego TM [s] 22.70 22.60 22.50 22.40 22.30 22.20 22.10 22.00 21.90 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Rys. 2 U [V] 3/C 2004 5/C 2004 4/C 2004 16 2002 3/P1 2000 Liniowy (3/C 2004) Liniowy (5/C 2004) Liniowy (4/C 2004) Liniowy (16 2002) Liniowy (3/P1 2000) 197
ZaleŜność parametru Tm od napiecia zasilającego Tm[s] 2,80 2,75 2,70 2,65 2,60 2,55 2,50 2,45 2,40 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 3/C 2004 5/C 2004 4/C 2004 16 2002 3/P1 2000 Liniowy (3/C 2004) Liniowy (5/C 2004) Liniowy (4/C 2004) Liniowy (16 2002) Liniowy (3/P1 2000) Rys. 3 U[V] Dyskusja wyników pomiarów: Wszystkie układy UZ-KX w przypadku parametru TM działały prawidłowo w całym przedziale 20-30V. Zmiana napięcia zasilającego miała niewielki wpływ na ten parametr. Zaobserwowano niewielką tendencję wzrostową: im większe napięcie zasilające tym bardziej wydłuŝał się czas TM. Dopasowano proste najmniejszych kwadratów. Tabela 2 zawiera wyznaczone współczynniki kierunkowe tych prostych (przyrosty TM od napięcia zasilającego). Tab. 2 Tab. 3 UZ-KX nr: dtm/du Błąd dtm/du 3/C 2004 0,0058 0,0001 5/C 2004 0,0059 0,0001 4/C 2004 0,0053 0,0002 16 2002 0,0019 0,0002 3/P1 2000 0,0068 0,0002 UZ-KX nr: dtm/du Błąd dtm/du 3/C 2004 0,0373 0,0004 5/C 2004 0,0368 0,0006 4/C 2004 0,0368 0,0005 16 2002 0,0038 0,0002 3/P1 2000-0,0004 0,0002 Tabela 3 przedstawia wyznaczone za pomocą dopasowania prostej najmniejszych kwadratów współczynniki przyrosty czasu Tm od napięcia zasilającego. Tab. 4 Czas TM 3/C 2004 5/C 2004 4/C 2004 16 2002 3/P1 2000 Bw(27V) 0,09% 0,09% 0,09% 0,09% 0,09% Min(20V) -0,16% -0,19% -0,16% -0,04% -0,23% Max(30V) 0,09% 0,08% 0,09% 0,06% 0,08% Tab. 5 Czas Tm 3/C 2004 5/C 2004 4/C 2004 16 2002 3/P1 2000 Bw(27V) 0,37% 0,37% 0,37% 0,36% 0,39% Min(20V) -10,11% -10,14% -10,18% -1,13% -0,16% Max(30V) 3,75% 3,40% 3,60% 0,25% -0,28% 198
Tabela 4 i 5 przedstawia niepewności względne dla pomiaru czasu TM oraz Tm przy 27V zasilania oraz względne zmiany wartości czasu TM i Tm dla napięć 20V i 30V względem wartości parametrów przy 27V. Dla parametru Tm układy z roku 2004 charakteryzują się duŝą zmianą (ponad 10% przy zmniejszeniu napięcia zasilania do 20V) jednakŝe do zaakceptowania w przyjętym przedziale napięć. Układ z roku 2002, a zwłaszcza układ z roku 2000 wykazał duŝą stabilność (porównując do układów z roku 2004) - wyznaczony współczynnik osiągnął niewielką wartość ujemną. Działanie układów UZ-KX nie zmienia się w sposób znaczący w przedziale napięć zasilających 20-30V. DuŜe przyrosty czasu Tm dla układów z roku 2004 sugerują, Ŝe w tych układach zastosowano podzespoły o większej tolerancji. B) Badanie zaleŝności parametrów TM oraz Tm od temperatury Badanie przeprowadzono z uŝyciem komory klimatycznej. Układy UZ-KX znajdowały się w komorze a przewody kontrolne doprowadzone były przez przepust, co widocznej jest na rys. 1. Przełączenie układu wykonywano ręcznie, na chwilę otwierając drzwi komory. Doświadczalnie przyjęto czas ustalania się temperatury na 30 minut. Następnie wykonywano pomiary parametrów TM oraz Tm układów UZ-KX za pomocą testera. Przedział temperatur dla których wykonano pomiary: od -40ºC do 40ºC. Pomiary wykonywano co 10ºC. Wyniki przedstawiają wykresy na rysunkach 4 i 5. Parametr TM badanych układów generalnie zachowywał stabilność w zaleŝności od temperatury. Wyjątek stanowił układ UZ-KX 3/P1 2000, który wykazał tendencję do zmniejszania wartości czasu TM w funkcji temperatury. Układy pracowały stabilnie. Tabela 6 przedstawia współczynniki kierunkowe prostych dopasowanych metodą najmniejszych kwadratów oraz oszacowane błędy tych współczynników. Współczynniki dopasowanych prostych bliskie są wartości 0 co oznacza, Ŝe czas TM praktycznie nie zmieniał się w zaleŝności od temperatury. ZaleŜność parametru TM od temperatury TM [s] 22,8 22,7 22,6 22,5 22,4 22,3 22,2 22,1 22,0 21,9 21,8-40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 Rys. 4 T [C] 3/C 2004 5/C 2004 4/C 2004 16 2002 3/P1 2000 Liniowy (3/C 2004) Liniowy (5/C 2004) Liniowy (4/C 2004) Liniowy (16 2002) Liniowy (3/P1 2000) 199
ZaleŜność parametru Tm od temperatury Tm [s] 3,2 3,1 3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4-40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 Rys. 5 T [C] 3/C 2004 5/C 2004 4/C 2004 16 2002 3/P1 2000 Liniowy (3/C 2004) Liniowy (5/C 2004) Liniowy (4/C 2004) Liniowy (16 2002) Liniowy (3/P1 2000) Parametr Tm wykazał wyraźnie silniejszą zaleŝność temperaturową. Większość badanych układów przekraczała graniczny czas 2,8s w niŝszych temperaturach. Najlepiej dopasowany był układ: 3/P1 2000, który zachowywał czas Tm poniŝej 2,8s aŝ do temperatury -40ºC, chociaŝ współczynnik nachylenia nie był najmniejszy. Układy z roku 2004 charakteryzowały się mniejszym współczynnikiem nachylenia, ale wartość czasu Tm była przesunięta w górę powodując, Ŝe czas ten przekroczony był w temperaturze -10ºC. Współczynniki prostych dopasowanych metodą najmniejszych kwadratów wraz z ich błędami umieszczono w tabeli 7. Tab. 6 Tab. 7 UZ-KX nr: dtm/dt Błąd dtm/dt 3/C 2004-0,0005 0,0002 5/C 2004-0,0001 0,0001 4/C 2004 0,0000 0,0002 16 2002 0,0000 0,0003 3/P1 2000-0,0030 0,0004 UZ-KX nr: dtm/dt Błąd dtm/dt 3/C 2004-0,00242 0,00006 5/C 2004-0,00261 0,00004 4/C 2004-0,00234 0,00005 16 2002-0,00540 0,00013 3/P1 2000-0,00349 0,00016 C) Badanie zaleŝności pojemności kondensatorów od temperatury Wykonano badania pojemności kondensatorów mających istotne znaczenie w procesie generowania parametrów czasowych układów UZ-KX. Wyniki przedstawiają wykresy na rysunkach 7 i 8. Na rysunku 6 widać próbkę kondensatorów przygotowaną do badań w komorze klimatycznej. Przewody połączeniowe wyprowadzone były na zewnątrz komory. W trakcie pomiaru czekano na ustalenie się temperatury a następnie podłączano mostek LRC Hioki 3522-50 LCR HiTESTER do kaŝdego kondensatora. 200
Rys 6. ZaleŜność pojemności C od temperatury 345 C [nf] 340 335 330 325 320 1C 2C 3C 1S 2S 3S 4S 5S 315-40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 T [C] Rys. 7 ZaleŜność pojemności C od temperatury 2120 2100 C [nf] 2080 2060 2040 1B 2B 3B 2020 2000-40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 T [C] Rys. 8 Maksymalne zmiany wartości pojemności wynosiły 4,59% 201
5. Wnioski Budowa układów zabezpieczeń w technologii analogowej wymaga stosowania wielu reŝimów i wykorzystania podzespołów wysokiej jakości. Istotne jest zatem wykonywanie badań kontrolnych na próbkach kolejnych partii. Biorąc na uwadze to, Ŝe Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia daje okresowe gwarancje na wyprodukowane układy zabezpieczeń istotne jest ich badanie w warunkach intensywnych wymuszeń klimatycznych. WaŜne jest poznanie ich granic bezpieczeństwa i niezawodności. Badane układy spełniły wymagane załoŝenia, jednak badania wykazały, Ŝe parametry czasowe układów w zaleŝności od temperatury nie są stabilne, co naleŝy uwzględnić przy konstrukcji nowych układów. Literatura 1. Wiesław Tłaczała Środowisko LabVIEW w eksperymencie wspomaganym komputerowo Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Warszawa 2002 2. Waldemar Nawrocki Komputerowe systemy pomiarowe Wydawnictwa Komunikacji i Łączności Warszawa 2002 3. LabView User Manual. National Instruments Corporation, Austin 1998 4. 3522-50 LCR HiTESTER INSTRUCTION MANUAL Hioki E.E. Corporation 202