Радиотехника. В. И. Левченко Минобрнауки России, Омгту. Омск Издво Омгту
 Скачать 4.77 Mb.
|
|
– ОСНОВА ПРИБОРОСТРОЕНИЯ В основе технологий приборостроения лежит метрология (от греч. métron – мера и logos – наука) – наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности. Метрология занимается вопросами организации измерений, их согласованности, достоверности и соответствия требованиям в рамках организации, региона, страны, а также на международном уровне. Одним из важнейших предназначений метрологии как науки и области практической деятельности является обеспечение единства измерений. Первым условием обеспечения единства измерений является представление результатов измерений в узаконенных единицах, которые были бы одними и теми же всюду, где проводятся измерения и используются их результаты. На рубеже XIX и XX вв. в промышленно развитых странах стали создаваться метрологические учреждения. В России в 1893 г. была образована Главная палата мер и весов, которую возглавил Дмитрий Иванович Менделеев. Именно благодаря трудами энергии Д. И. Менделеева отечественная метрология стала подлинной наукой об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения точности в соответствии с потребностями развивающихся отраслей науки, промышленности, всей экономической жизни страны. В настоящее время бывшая Главная палата мер и весов – это Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии (ВНИИМ) им. Д. И. Менделеева, находящийся в распоряжении Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарта). 166 Основные термины и определения в метрологии сформулированы в ряде нормативно-технических документов. В 1960 г. на XI Международной конференции по мерами весам была принята Международная система единиц – система СИ. Сегодня метрическая система узаконена более чем в 124 странах мира. В области метрологии следует отметить тенденцию перехода от эталонов, изготовленных человеком, к естественным эталонам, основанным на волновых и дискретных свойствах материи. В качестве эталона единицы длины утвержден метр, который равен длине пути проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды, где 299792458 – фундаментальная константа, равная значению скорости света. Единица времени секунда соответствует 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями основного состояния атома цезия. Единица силы электрического тока ампер – значение тока, который, протекая в вакууме по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным один от другого на расстоянии 1 м, создает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия 2·10 Н. Единицей температуры является кельвин,составляющий 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Эталон единицы силы света – кандела – представляет собой силу света источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 ТГц, энергетическая сила света которого составляет 1/683 Вт/ср. Подобно этому, единица электрического заряда может быть установлена через заряд электрона, единица массы – через массу какой-либо из элементарных частиц и т. д. Большой раздел метрологии посвящен методам нахождения оценок погрешностей измерений, для чего используется аппарат теории вероятностей и математической статистики, а также других разделов математики. Измерительная аппаратура – основное оборудование научно-исследо- вательских институтов и лабораторий, неотъемлемая часть оснастки любого технологического процесса, главный полезный груз ракет, искусственных спутников Земли и космических станций. 167 ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ Быстро развивающимся перспективным направлением является аналитическое приборостроение, создающее устройства для определения состава и концентрации веществ в различных средах, материалах и продуктах. К ним относятся электрохимические, ультразвуковые, оптические, ядерные и иные анализаторы, сложные многопараметровые аналитические системы. Современные средства физико-химического анализа используют разнообразные явления, вызываемые воздействием электрического тока, электромагнитных волн или проникающей радиации на исследуемую среду. Развитие металлургии, химии, биологии и других отраслей связано с необходимостью точного анализа состава руд, металлов и сплавов, нефтепродуктов, примесей в полупроводниках, наличия различных элементов в пищевых продуктах и живых средах в широком диапазоне состава икон- центрации, требует применения многокомпонентных анализаторов. Такими приборами являются рентгеновские квантометры, поляро- графы, масс-спектрометры, хроматографы, точно фиксирующие элементарную картину многих минеральных и органических соединений. Приборостроение не только создаёт и выпускает такие приборы, но и обеспечивает возможность комплексного применения средств аналитической техники в системах автоматического контроля и регулирования технологических процессов. Достижения вычислительной техники позволяют приборостроению существенно расширить арсенал методов и средств автоматизированного управления технологическим оборудованием, энергетическими установками, промышленными предприятиями, транспортными средствами, научными исследованиями. Вычислительные устройства также входят в состав измерительных, аналитических, испытательных установок и систем в качестве средств хранения и математической обработки информации для получения синтезированных результатов. Они применяются и как средства программного управления различными машинами, станками, манипуляторами и поточными линиями. В настоящее время нет такого вида человеческой деятельности, которая обходилась бы без аналитических и измерительных приборов. 168 Кроме приборов для извлечения, формирования, хранения, передачи, представления и использования информации широкого научного и промышленного назначения, приборостроение создаёт и выпускает многоразличных специальных приборов для геофизики, гидрометеорологии, медицины, сельского хозяйства, транспорта, лабораторное оборудование, специализированные комплектные лаборатории. С прогрессом в области приборостроения и промышленной электроники связаны перспективы создания полностью автоматизированных производств, что является радикальным средством многократного повышения производительности труда. Так, например, уже есть полностью автоматизированные заводы по сборке телевизоров, автомобилей и т. п. В сборочных цехах нет людей, там погашен свет, выключены отопление и вентиляция они роботам ненужны. Практически на всех подобных производствах, где можно заменить ручной труд приборами, роботами и манипуляторами исчезнут профессии, основанные на низкой квалификации рабочих. Люди, потерявшие работу, будут повышать или менять свою квалификацию, находить новые сферы приложения своих способностей. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И РАДИОУПРАВЛЕНИЕ Значительное место в приборостроении занимают системы дистанционного управления, в том числе системы радиоуправления, включающие средства передачи информационных сигналов и управляющих импульсов на большие расстояния, датчики и исполнительные устройства (телемеханика. В общем случае система телемеханики содержит в своем составе функциональные блоки, приведенные на рис. 9.2. Рис. 9.2. Функциональная схема системы телемеханики 169 Наиболее впечатляющие достижения приборостроения в сочетании с радиоуправлением можно показать на примере освоения космоса беспилотными космическими аппаратами. Луна – наименование советской программы исследования Луны и серии космических аппаратов, запускаемых в СССР к Луне начиная с 1959 г. 2 января 1959 г. впервые в истории человечества космическая ракета достигла второй космической скорости и вывела на лунную траекторию автоматическую станцию Луна. При полете Луны с помощью установленных на ней приборов получены сведения о радиационном поясе Земли и космическом пространстве. Однако ракете не удалось прилуниться иона вышла на гелиоцентрическую орбиту. 12 сентября 1959 гс космодрома Байконур был вывод на траекторию полета к Луне станции Луна. На ней были размещены четыре штыревые антенны радиопередатчика, работавшего на частоте 183.6 МГц. Из приборного оборудования на станции были установлены счетчики Гейгера, магнитометры, детекторы микрометеоритов. Луна достигла поверхности Луны, совершив первый в истории человечества полет с Земли на Луну, и доставила на лунную поверхность вымпел с изображением герба СССР. 4 октября 1959 г. стартовала автоматическая станция Луна. Входе этого полета впервые в истории были получены фото обратной стороны Луны. 3 февраля 1966 г. станция Луна совершила первую в мире мягкую посадку на Луне в Океане Бурь. Вовремя сеансов связи Луна передала панорамные изображения лунной поверхности. 10 ноября 1970 гс космодрома Байконур к Луне была отправлена станция Луна. 17 ноября в Море Дождей на лунный грунт съехал первый в мире планетоход – дистанционно управляемый самоходный аппарат Луноход (рис. 9.3), который проработал на Луне 10,5 месяцев (11 лунных дней. За время работы Луноход обследовал площадь 80 тыс. м 2 Он произвёл химический анализ грунта Луны в 25 точках и передал на Землю 211 лунных панорам и 25 тыс. фото. В 1977 г. для исследования дальних планет Солнечной системы был запущен американский космический аппарат «Вояджер-1» (рис. 9.4). 170 Рис. 9.3. Луноход Рис. 9.4. «Вояджер-1» В проекте были реализованы уникальная радиолиния сверхдальней передачи информации и приборы для измерения характеристик космического пространства. «Вояджер» отправил на Землю фотографии Юпитера, Сатурна и Нептуна и продолжает передавать информацию о строении Вселенной. Недавно «Вояджер» покинул Солнечную систему на расстоянии более 20 млрд км от Земли и по-прежнему от него принимается информация – радиосигналы со скоростью света идут от «Вояджера» 17 часов. «Вояджер» использует ваттный радиопередатчик. Технические решения для достижения сверхдальней передачи сигналов 1) большие направленные антенны (земная и на аппарате. У антенны «Вояджера» диаметр антенны равен 3,7 м, антенна на Земле метровая 2) использование 8-гигагерцевого диапазона радиочастот с малым уровнем помех 171 3) данные от «Вояджера» передаются с медленной скоростью (160 битв секунду. В настоящее время стремительно развивается такое перспективное направление приборостроения, основанное на достижениях радиоэлектроники и информатики, как создание беспилотных транспортных средств беспилотные летательные аппараты, беспилотные поезда, беспилотные суда, беспилотные автомобили. Радиоэлектронное приборостроение кардинально преображает жизнь людей. Контрольные вопросы к теме 9 1. Физические величины, определяемые приборами радиоизмерительной техники. 2. История создания и первый руководитель российской Палаты мер и весов. 3. Наука, являющаяся основой приборостроения. 4. Современный принцип установления измерительных эталонов. 5. Основные структурные единицы системы телемеханики. 6. Примеры достижений космического приборостроения и радиоуправления. Перспективы приборостроения в транспортной сфере. 8. Примеры российских научных журналов в области приборостроения. Список рекомендуемой литературы 1. Штыков, В. В. Введение в радиоэлектронику : учебники практикум для вузов / В. В. Штыков. – е изд, испр. и доп. – М. : Юрайт, 2016. – 271 с. 2. Земляков, В. Л. История и методология приборостроения : учеб. пособие / В. Л. Земляков, А. В. Нагаенко. – Ростов н/Д : Изд-во ЮФУ, 2012. – 110 с. 3. Технология приборостроения : учеб. пособие / В. А. Валетов, Ю. П. Кузьмин, А. А. Орлова, С. Д. Третьяков. – СПб. : СПбГУ ИТМО, 2008. – 336 с. 172 Тема 10 РАЗВИТИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ОТРАСЛИ В Г. ОМСКЕ Радиоэлектроника Омска – омские предприятия, обеспечивающие разработку и серийный выпуск радиоэлектронной продукции. Эти предприятия разрабатывают и производят средства связи, радиоэлектронное вооружение, радиоэлектронные приборы, изделия микроэлектроники, акустоэлектроники и др. Большинство крупных высокотехнологичных предприятий радиоэлектронной отрасли в г. Омске относятся к оборонно- промышленному комплексу (ОПК) России. Состояние радиоэлектронной промышленности (РЭП) сегодня определяет уровень технологической независимости, экономической, продовольственной, информационной и военной безопасности государства, охраны здоровья и безопасности населения. Об оборонной значимости радиоэлектронной отрасли свидетельствует тот факт, что в сводном реестре организаций оборонно-промышленного комплекса предприятия РЭП составляют. На их долю приходится около 16 % объема промышленной продукции и 30 % всех научных разработок ОПК. Предприятиям радиоэлектроники Омска отведена значительная роль в реализации разделов государственной программы Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013–2025 гг.» по соответствующим направлениям, в числе которых • разработка и производство радиоэлектронных средств и систем, в первую очередь средств и систем, имеющих стратегическое значение для страны, обеспечение их российской электронной компонентной базой необходимого технического уровня • разработка базовых промышленных технологий и конструкций радиоэлектронных компонентов и приборов • техническое перевооружение производства на основе передовых технологий • создание научно-технического задела по перспективным технологиями конструкциям электронных компонентов, унифицированных узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры для обеспечения российской продукции и стратегически значимых систем. Согласно Военной доктрине Российской Федерации к приоритетным задачам военного обеспечения относятся разработка и производство унифицированных высокоэффективных систем управления войсками и оружием, систем связи, разведки, стратегического предупреждения, радиоэлектронной борьбы, высокоточных мобильных безъядерных средств поражения, а также систем их информационного обеспечения. Номенклатура спецтехники, которую производят РЭП Омска в значительной мере отвечает этим приоритетным задачам. В ее составе • системы связи и автоматизированные системы боевого управления • системы радиоэлектронной разведки • системы и средства противовоздушной обороны • системы и средства ракетно-космической обороны • системы и средства радиоэлектронной борьбы (РЭБ); • системы и средства государственного опознавания, управления воздушным движением, радионавигации и единого времени • обеспечивающие системы и средства (специальная вычислительная техника, шифротехника, радиоизмерительная техника, авионика). Предприятия РЭП Омска, специализирующиеся на разработке и производстве продукции гражданского назначения, о которых далее пойдет речь, как правило, являются лидерами в стране по своим направлениям деятельности. Далее рассмотрим историю развития и специализацию предприятий омской радиоэлектроники. ОСНОВНЫЕ ОМСКИЕ ПРЕДПРИЯТИЯ РЭП, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ОПК Р ОССИИ 10.1.1. АО Омский НИИ приборостроения АО «ОНИИП» входит в состав холдинга «Росэлектроника» ГК Российские технологии. Создание в 1958 г. в Омске научно-исследовательского института средств связи было продиктовано необходимостью решения проблем обеспечения связи с подводными лодками и надводными кораблями ВМФ. Первыми самостоятельными разработками для ВМФ стали коротковолновые МГц) радиоприёмные устройства (РПУ) «Брусника-П» Р) и Перламутр. Эти РПУ были изделиями второго поколения (элементная база электронные лампы и ПП-транзисторы). РПУ этого поколения были весьма тяжеловесными, масса РПУ Брусника составляла 250 кг. 174 На базе РПУ Брусника (рис. 10.1) был разработан автоматизированный СДВ-КВ приёмный комплекс Базальт для комплектования атомных подводных лодок, в состав которого, кроме РПУ, входили аппаратура автоматизированного контроля исправности каналов связи и устройства программного управления ведением связи. Базовым приемником следующего, третьего поколения (элементная база транзисторы и микросхемы малой и средней степени интеграции) в е годы стало РПУ для Сухопутных войск Вспышка (Р-160П) рис. 10.1) (главный конструктор В. Д. Богачев). Масса РПУ третьего поколения составляла порядка 100 кг. Унифицированными со Вспышкой РПУ для ВМФ стали изделия серии Кашалот СДВ- и КВ-диапазонов. Первое изделие Кашалот КВ-диапазона (Р) (рис. 10.1) было смонтировано и успешно прошло испытания на первом в СССР противолодочном авианесущем крейсере Киев. В дальнейшем этими изделиями были оснащены корабли того же класса Минск, Новороссийск, Баку и др. На базе РПУ Кашалот А, Кашалот ГР) было создано и передано в серийное производство комплексное многотрактовое радиопри- ёмное устройство Гранит, которое входило в состав комплекса связи «Молния-М», предназначенного для оснащения подводных лодок. Рис. 10.1. РПУ второго и третьего поколений В конце х годов отставание отечественной аппаратуры от зарубежных аналогов по массогабаритным параметрам, потребляемой мощности и надежности стало значительным. 175 В то время за рубежом в связи с широким использованием БИС, СБИС и микропроцессоров уже появились радиоприёмники четвертого поколения, в 3–4 раза меньшие по массе и габаритами со значительно более совершенным интерактивным интерфейсом. Особенно остро проблема неконкурентоспособности отечественных РПУ проявлялась в гражданских отраслях, где у потребителей была принципиальная возможность закупки зарубежных изделий. В 1986 г. Министерство судостроительной промышленности СССР (Минсудпром) заказало ОНИИП разработку радиоприёмника четвертого поколения, который планировалось использовать на гражданских и промысловых судах, атак- же морских узлах связи Минсудпром заказал ОКР четвертого поколения раньше военных заказчиков, что было необычным для того времени случаем, и, соответственно, первым получил новый профессиональный КВ-приёмник четвертого поколения высшего класса. В 1986–1989 гг. коллективом разработчиков, конструкторов и технологов под руководством главного конструктора В. И. Левченко было создано базовое РПУ четвертого поколения Бригантина (рис. 10.2). При разработке была широко использована элементная база четвертого поколения БИС, СБИС, микропроцессоры, микросборки, и впервые совместно с КБ Новосибирского завода полупроводниковых приборов были разработаны СБИС система на кристалле, позволившие значительно уменьшить габариты цифрового синтезатора частот. По тем временам появление РПУ Бригантина без преувеличения представляло собой качественный скачок в научно-техническом уровне не только в отношении самого изделия, но и предприятия ОНИИП в целом. На базе созданных технологий и базовой несущей конструкции (БНК) Бригантины впоследствии многие годы проектировались все изделия и комплексы связи ОНИИП. Рис. 10.2. РПУ Бригантина 176 РПУ Бригантина полностью соответствовало мировому уровню. Масса модификаций изделий составляла 18–20 кг, а по параметрам реальной помехоустойчивости, как показывали отзывы с мест эксплуатации, приемник превосходил зарубежные аналоги. В 1987–1990 гг. была проведена ОКР военной версии РПУ четвертого поколения «Артек-Гелиос» (Р-170П). Приемник «Артек-Гелиос» (рис. 10.3) отличался от Бригантины расширенным вверх диапазоном до 80 МГц и более жесткими условиями эксплуатации по температуре и механическим воздействиям. Рис. 10.3. РПУ «Артек-Гелиос» (Р-170П) РПУ «Артек-Гелиос» (Р-170П) благодаря высочайшим техническим характеристиками проводимым модернизациям выпускается серийно в настоящее время, те более 25 лет, что для радиоэлектронной продукции является уникальным явлением. В это же время были разработаны модификации РПУ Бригантина для Министерства связи – Панорама, для гражданской авиации – Ель. Для ВМФ на основе БНК Бригантина вначале х годов были разработаны радиоприёмники четвертого поколения многоканальные РПУ « Скаляр-ДСК» (Р-774ДСК), «Скаляр-ДС» (Р-774ДС), канальное РПУ « Скаляр-О» (Р, канальное РПУ «Скаляр-С» (Р-774С), «Скаляр- СН1» (Р-774СН1). Для Минобороны и СВР был разработан ряд приемников четвертого поколения «Ольхон-Гелиос», «Ольхон-Гелиос-М», «Ольхон-Гелиос-215», « Сердолик-ПРМ». На современном этапе развития РПУ строятся не только на основе традиционной супергетеродинной структуры (с одним или двумя преобразованиями, но и по схеме с прямым аналого-цифровым преобразованием КВ- диапазона. Это позволяет в относительно компактной форме строить многоканальные радиоприемные модули. На рис. 10.4 приведен канальный модуль. 177 Рис. 10.4. канальное цифровое РПУ Другим традиционным направлением разработок ОНИИП является производство возбудительных устройств (ВУ) для радиопередатчиков. Для размещения на надводных кораблях и подводных лодках ВМФ были разработаны унифицированные с РПУ Вспышка возбудительные устройства третьего поколения Маяк, «Маяк-КГ», которыми после 1985 г. были оснащены практически все корабельные РПДУ средней и большой мощности. Четвертое поколение ВУ, унифицированное с РПУ «Артек-Гелиос», представлено возбудительным устройством КВ, УКВ-диапазонов частот Р-170ВМ «Артек-Сириус» (главный конструктор ЮС. Лузан) (рис. 10.5). ВУ «Артек-Сириус» ВУ «Артек-Сириус-М» Рис. 10.5. Возбудительные устройства, унифицированные с РПУ В е и начале х гг. после создания аппаратных средств четвертого поколения на основе БНК Бригантина и проведения комплексных НИОКР «Ольхон» и «Ольхон-О» (главный конструктор В. И. Левченко) ОНИИП приступил к созданию мобильных узлов связи и управления. Одновременно разрабатывались автоматизированные стационарные центры и узлы связи (главный конструктор В.Д. Богачев). Созданные на основе научно-технического задела, полученного в НИОКР «Ольхон-О», мобильные многотрактовые аппаратные специальной связи (рис. 10.6) «ЧИЖ-2М», Мореплавание – ОМ, Краснобай 178 гл. конструктор Б. Г. Шадрин), наряду с разработками стационарных комплексов и узлов связи, послужили основой для финансовой устойчивости предприятий ОНИИП, Иртыш, завода им. Н. Г. Козицкого в кризисные 90- е годы и начале х годов. Рис. 10.6. Аппаратные мобильного узла связи Приемные и передающие радиоцентры стационарного базирования обеспечивают обмен информацией в радиосетях и радионаправлениях на трассах протяженностью до 10 000 км. Структура, состав и алгоритмы функционирования стационарных радиоцентров и узлов связи на их основе адаптируются для заказчиков – Министерства обороны РФ, СВР, ФСБ. Радиоцентры и узлы связи строятся на основе автоматических дистанционно управляемых средств радиосвязи и автоматизированных рабочих мест (АРМ) операторов (рис. 10.7), объединенных локальными вычислительными сетями в единую информационную структуру с перепрограммируемыми алгоритмами функционирования. АРМ стационарного узла связи АРМ комплекса связи ВМФ Рис. 10.7. Автоматизированные рабочие места комплексов связи 179 С целью наращивания доли участия в составе создаваемых узлов и радиолиний связи ОНИИП сначала х годов осваивает разработку радио- передающих устройств (РПДУ). Первое РПДУ «Байкал-А» успешно прошло государственные испытания в 1999 г. Первым серийным передатчиком, разработанным на основе отечественных мощных транзисторов, явился ваттный передатчик Нерпа главный конструктор В. Н. Алексеенко). Впоследствии были созданы передатчики на более высокие мощности – 1 кВт, 5 кВт (рис. 10.8). Ведутся исследования по созданию автоматизированных транзисторных РПДУ наиболее кВт (главный конструктор А. В. Богданов. РПДУ КВ-диапазона Р-357НА (1 кВт) РПДУ-М5 с выходной мощностью 5 кВт Рис. 10.8. РПДУ ОНИИП На основе РПУ, РПДУ и модемов ОНИИП разрабатывает помехоза- щищенные радиолинии различного назначения, работающие в диапазоне частот от сотен герц до сотен мегагерц, обеспечивая доведение информации и команд до подводных, подземных и наземных объектов. Наиболее распространенными видами радиолиний являются • малогабаритные комплексы радиоуправления • помехозащищенные радиолинии с псевдослучайной перестройкой частоты (ППРЧ) в широкой полосе • радиолинии для связи с глубокопогруженными подводными лодками. 180 Наряду с военной ОНИИП разрабатывает и производит радиоэлектронные приборы и системы народнохозяйственного назначения. В их числе • система радиоохраны Форт для трасс нефтегазопроводов • система для температурного и вибрационного контроля установок, применяемых в нефтегазовой и энергетической промышленности. Высокие конкурентоспособные характеристики аппаратуры ОНИИП основаны на применении создаваемой институтом специализированной электронной компонентной базы последующим направлениям • фильтры • пьезоэлектрические фильтры • фильтры СВЧ-диапазона, выполненные на основе технологии • кварцевые генераторы • фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтры); • СБИС система на кристалле. |