Факторы внешнего и внутреннего воздействия

1. Понятия факторов воздействия

Прежде чем начать обсуждение понятий факторов внешнего и внутреннего воздействия выясним, что понимается под внешним и, соответственно, внутренним. Советский энциклопедический словарь утверждает, что «Внешнее и внутреннее это – философские категории. Внешнее выражает свойства объекта как целого и характеризует его взаимодействие с окружающей средой, внутреннее – выражает структуру, сущность объекта». Таким образом, можно считать, что в динамике внешнее характеризует процессы взаимодействие объекта со средой, а внутреннее – характеризует процессы внутри самого объекта.

Как известно, любой материальный объект вселенной, в которой мы существуем, после его синтеза (т.е. создания или возникновения) находится во взаимодействии с окружающей его средой. Это взаимодействие продолжается в течение всего жизненного цикла и оканчивается вместе с распадом объекта. Здесь необходимо отметить, что термин «жизненный цикл» является вполне техническим и применяется в технике для обозначения периода существования любого технического изделия или системы.

Агенты, через которые объект взаимодействует со средой, совпадают с формами существования материи. В известной нам вселенной это различного вида поля и потоки частиц вещества. Все виды воздействия одного объекта на другой как раз и сводятся к этим двум разновидностям.

В зависимости от своих (т. е. присущих именно ему) особенностей, объект воздействует на окружающую его среду. Особенности объекта, о которых мы говорим, в основном определяются его организацией, т.е. материалами из которых состоит объект, его структурой, взаимодействием его составных частей, видами преобразования энергии в его пределах, способом выведения за пределы объекта продуктов его жизнедеятельности либо просто потерями вещества и энергии при взаимодействии объекта с внешней средой. Известно, что воздействие объекта на окружающую его среду неизбежно, в большей или меньшей степени, изменяет ее, а, следовательно, и характер и степень ее воздействия на объект, т.е. этот процесс является, как говорят, самосогласованным. В технике для обозначения подобных процессов применяется термин «обратная связь».

Собственно можно считать, что природа или вселенная это и есть совокупность всех объектов вселенной во всех формах существования материи. Здесь нелишне может быть добавить – и продуктов их жизнедеятельности.

Люди так устроены, что любое явление окружающего мира пытаются упростить, чаще всего за счет разбиения сложного на более простое, т. е. на составляющие элементы. Так процесс взаимодействия со средой разбивается на отдельно рассматриваемые процессы воздействия среды на объект и объекта на среду. Далее в процессе воздействия среды на объект выделяются его (процесса) отдельные стороны или факторы. Процесс разбиения на этом не заканчивается, но об этом мы поговорим далее.

Из вышеизложенного понятно как возникают понятия «Факторов внешнего воздействия» или, как их иногда называют, «Внешних воздействующих факторов». (Нужно заметить, что эти понятия абсолютно идентичны). Таким образом, под факторами внешнего воздействия понимают выделенную из совокупности сторону, процесс, механизм и т. п. воздействия среды на рассматриваемый объект.

Но функционирование объекта не ограничивается только его взаимодействием с внешней средой, очень часто более важными представляются взаимодействия его составных частей с точки зрения их влияния на функционирование объекта и изменение параметров во времени. Здесь мы приходим к возникновению понятия «Факторов внутреннего воздействия». К ним следует относить изменения во времени свойств материалов слагающих объект, видов его организации и т. п.

2. Классификация факторов воздействия

Известно, что качество изделий, а под термином «изделие» будем понимать технические системы самого различного назначения, закладывается на стадии разработки, обеспечивается в процессе производства и поддерживается на стадии эксплуатации. Разрабатывая изделия, необходимо учитывать условия их эксплуатации, хранения и транспортирования, характеризующиеся воздействием внешних и внутренних факторов.

К внешним факторам в технике относят действие окружающей среды и особенности эксплуатации, связанные с местом установки изделия и (или) условиями его транспортирования. Указанные внешние воздействия могут вызвать ограничение или потерю работоспособности изделия или его составных частей в процессе эксплуатации.

Внутренними факторами для объектов техники являются процессы старения и изнашивания. Процессы старения происходят непрерывно, причем они совершаются как во время работы, так и во время хранения и транспортирования изделий. Изнашивание проявляется в основном в процессе эксплуатации и зависит от воздействия внешних факторов, от режимов эксплуатации и работы изделий. Вероятность влияния внутренних факторов возрастает по мере увеличения длительности эксплуатации и при нарушении режимов работы, которые могут характеризоваться: частотой включений и переключений, вызывающей в изделиях переходные процессы; перенапряжениями; толчками и т. д. Частые включения и переключения некоторых изделий могут также влиять на механическое изнашивание их конструктивных элементов. В изделиях, предназначенных для циклических режимов работы, существенное влияние на тепловые режимы оказывают соотношения продолжительности работы и перерывов. Действие внутренних факторов во многих случаях зависит от схем и конструкций изделий.

По времени и характеру воздействия, режимы эксплуатации и работы изделий могут быть:

непрерывными,

периодическими (циклическими),

апериодическими (одноразовыми),

повторно – прерывными,

случайными.

В классификациях факторы обычно группируют по какому-то признаку, поэтому выделяют факторы механические, климатические и т. д.

Соответствующий ГОСТ делит все внешние воздействующие факторы (ВВФ) на следующие классы: механические, климатические, биологические, радиационные, электромагнитные, специальных сред и термические.

В свою очередь каждый класс подразделяется на группы, а каждая группа на виды, которым, кстати, соответствуют определенные виды испытаний. Например, класс климатических воздействий делится на группы:

атмосферное давление,

температура среды.

влажность воздуха или других газов и т. д.

Группы в свою очередь подразделяются на следующие виды:

атмосферное повышенное или пониженное давление,

изменение атмосферного давления или его перепад,

повышенная и, соответственно, пониженная температура среды

изменение температуры среды и т. д.

Таким образом, классификации факторов вешнего воздействия чаще всего строятся по схеме

Правда иногда от этой схемы бывают отступления – вводится еще одна градация или уровень – подгруппа. Пример такого исключения имеет место в приведенной классификации применительно к механическим ФВВ.

Некоторые виды, группы и классы воздействий определяются назначением изделий и их взаимодействием со средами, создаваемыми человеком в процессе его деятельности. К таким классам относятся классы ВВФ:

специальных сред,

радиационные,

электромагнитные,

термические.

Освоение космоса привело к необходимости выделения еще одного класса (не предусмотренного стандартами), в который вошли все виды так называемых космических воздействий.

Одна из возможных классификаций ФВВ приведена на рисунке 1.

Как видим из классификации, к механическим факторам относят две их группы: факторы статического воздействия и факторы динамического воздействия. К факторам статического воздействия относятся такие их виды как:

растяжение,

сжатие,

изгиб,

кручение,

срез,

вдавливание.

Очевидно, что здесь классификация ФВВ повторяет виды деформации материалов.

К механическим факторам динамического воздействия относятся такие их виды как воздействие:

удара,

ускорения – линейного или углового, что вызывает перегрузки либо состояние полной или частичной невесомости,

вибрационное,

акустического шума,

Среди климатических факторов обычно выделяют воздействия:

солнечного излучения (в приповерхностных слоях атмосферы);

влаги содержащейся в воздухе или любой другой смеси газов (под влагой не обязательно понимать только пары воды – это могут быть и пары любой другой жидкости так, например, в атмосфере Юпитера роль воды, по-видимому, играет метан, во внутренней атмосфере КА эту роль может выполнять жидкое рабочее тело какой-то из его систем попавшее внутрь аппарата в результате протекания магистралей);

выпадающих осадков, к которым обычно относят – дождь, изморозь, снег, лед и т. п.

атмосферы (газовый состав, наличие примесей в виде жидких и твердых аэрозолей, частиц пыли, песка.),

давления аэростатического либо гидростатического (нормального, повышенного, пониженного), его изменений или перепадов.

К климатическим факторам можно отнести и такой, в общем-то, механический по своей природе, фактор, как воздействие движения среды, т. е. ветер, волновое движение жидкости и т. п.

В биологических факторах обычно выделяют воздействие на технические системы:

плесневых грибов и других микроорганизмов,

насекомых,

грызунов.

Иногда в виде биологического фактора воздействия внешней среды могут выступать и пресмыкающиеся или животные, но вероятность такой ситуации гораздо ниже, чем для грызунов.

Представляется целесообразным включение в этот класс ФВВ и воздействие человека, которое по своей разрушительности и масштабам может превзойти воздействие других биологических факторов.

К радиационным факторам относят совокупность ионизирующих излучений с которыми техническая система может столкнуться при своей нормальной эксплуатации. Это потоки α- и β- частиц, протонов и нейтронов; γ- Re- и УФ- излучения. Необходимо отметить, что факторы этого класса по большей части имеют техногенное происхождение.

Это же, в основном, можно сказать и о таком классе факторов, как воздействие специальных сред. Имеется в виду воздействие в основном химическое, т. е. кислот, щелочей, растворителей и растворов химически активных веществ.

Термические воздействия в некоторых случая рассматриваются как часть климатических воздействий, а, в иных случаях, выделяют в отдельный класс. К ним относят воздействие повышенной, пониженной температуры, ее периодические (т. н. термоциклирование) и непериодические изменения.

К факторам внешнего воздействия космического пространства в районе Земли или аналогичного космического тела можно отнести воздействие:

вакуума;

собственной внешней атмосферы космического аппарата;

атмосферы планеты (состав и температура атмосферы);

потоков нейтральных частиц в зависимости от их состава и скорости;

потоков заряженных частиц, генерируемых в атмосфере планеты;

«солнечного ветра»;

солнечного космического излучения;

электромагнитного излучение Солнца (обычно весь спектр его электромагнитных излучений излучений разбивают на ряд участков);

отраженного планетой Солнечного излучения;

собственного теплового излучения планеты (косвенно этот фактор характеризует температуру грунта планеты и степень его черноты);

Галактических космических излучений;

потоков межпланетной пыли и метеорных частиц;

магнитного поля планеты;

вмороженного магнитного поля «Солнечного ветра»;

и т. д.

Необходимо заметить, что иногда одновременное действие нескольких факторов классифицируется как независимый фактор, так одновременное воздействие вибрации и ударного нагружения классифицируется как тряска – еще один вид механического нагружения технических объектов.

Классификация, приведенная выше, не претендует ни на полноту, ни на универсальность. Это, в общем-то, и не нужно т. к. для различных технических объектов и систем набор ФВВ будет свой, специфический, отражающий как особенности объекта, так и условия его эксплуатации.

Воздействия внешних и внутренних факторов на материалы изделий проявляются в основном путем:

адсорбционного,

диффузионного,

химического,

коррозионного и

радиационного механизмов воздействия.

Происходящие при этом физико-химические процессы приводят к изменениям значений параметров и характеристик материалов и изделий, в ряде случаев вызывающим отказы. Возможны изменения необратимые и обратимые. Примерами необратимых изменений являются коррозия металлов, изменение структуры материалов при интенсивном радиоактивном облучении и т. д. К обратимым изменениям относятся такие, как восстановление свойств материала, адсорбировавшего газы или влагу своей поверхностью; восстановление свойств, значений параметров и характеристик изделий после прекращения температурных воздействий и т. п.

Таким образом, возникновение отказов можно представить как временной кинетический процесс, зависящий от изменений структуры и свойств материалов, из которых изготовлено изделие.

Физико-химические процессы, возникающие в материалах, могут происходить в объеме и на поверхности изделий, в электрических цепях, в подвижных и неподвижных соединениях. Причиной, приводящей к появлению указанных процессов, является воздействие внешней энергии, превращающейся при этом из одного вида в другой.

Наиболее часто на изделия воздействуют следующие виды энергии:

тепловая,

электрическая,

электромагнитная,

механическая и

химическая.

Каждому виду энергии соответствует определенный характер взаимодействия между частицами в соответствующих энергетических полях. Под действием энергии одного или нескольких видов в изделиях возникают физико-химические процессы, которые могут приводить к отказам. Наиболее распространены следующие причины возникновения отказов:

тепловое разрушение (потеря тепловой устойчивости, перегорание, расплавление и т. д.),

деформация и механическое разрушение, включая нарушение контактов, обрывы и короткие замыкания, нарушение механических фиксаций и т. д.,

электрическое разрушение (пробой, нарушение электрической прочности и т. д.),

электрохимическая коррозия,

радиационное разрушение,

изнашивание изделий,

загрязнение поверхностей деталей и изделий (нарушение контактов, изменение фотометрических характеристик, ухудшение зрительного восприятия информации и т. д.)

Одним из путей повышения качества изделий можно считать изучение физико-химических процессов в материалах, элементах и готовых изделиях, происходящих на стадии эксплуатации, с целью их учета на стадиях разработки и производства.

Особое значение приобретают знания указанных процессов для правильной организации испытаний и анализа их результатов, что мы будем осуждать на пятом курсе.

Для того чтобы подчеркнуть важность рассматриваемых нами процессов и явлений приведем данные о воздействии некоторых ФВВ на аппаратуру и материалы при различных условиях (см. таблицу 1.).

Таблица 1. Отказы аппаратуры военного назначения и материалов при различных условиях.

Наименование элемента	Температура и влажность	Пыль	Влажность	Радиация	Морской туман	Высокая температура	Низкая температура
Радиоэлектронная и электрическая аппаратура	17	3	10	1	—	14	14
Смазки, топлива и другие жидкости	-	1	—	-	—	8	4
Металлы	10	—	9	—	26	8	5
Оптические приборы и фотоаппаратура	5	1	3	-	—	—	—
Упаковка и хранение	9	—	9	—	—	—	—
Ткани	14	—	5	11	—	3	—
Дерево и бумага	12	1	4	—	—	2	—
Итого	67	6	40	12	26	35	23

Краткому рассмотрению воздействия механических климатических, биологических, коррозионных, радиационных и космических факторов на объекты ракетно-космической техники как наземного, так и космического базирования и посвящен этот курс лекций.

3. Совокупности факторов внешнего воздействия

Не сложно понять, что в природе практически ни один фактор не действует обособленно. Объект всегда находится под воздействием некоторой совокупности факторов, причем суммарное воздействие этой совокупности, как правило, не просто сумма воздействия отдельно взятых факторов. Суммарное воздействие факторов внешней среды на конкретную техническую систему непросто описать и математической моделью и очень часто данный вопрос может быть разрешен (с большей или меньшей точностью) только путем проведения т. н. комбинированных испытаний.

Примеры этого можно найти как на Земле, так и в космосе.

Так в результате суммарного воздействия ионизирующих излучений и вакуума космического пространства скорость разрушения пластических масс заметно выше, чем при отдельном воздействии каждого из указанных факторов.

Необходимо отметить и еще один момент - для каждого района космического пространства набор действующих факторов и величины их воздействия, в общем-то, индивидуален. Эти отличия зависят от расстояния до Солнца, от расстояния до других небесных тел солнечной системы, и от положения рассматриваемой точки относительно плоскости эклиптики и т. д. В любом случае действие отдельных ФВВ и их совокупности, характерной для данной точки пространства индивидуально.

Точно так же для каждой данной местности на Земле существует не просто произвольный набор факторов, а их совокупность. В общем случае эта совокупность ФВВ зависит от географических координат данной местности, от рельефа, причем не только самой местности, но и от окружающих ее местностей, от других характеристик т. н. подстилающей поверхности таких, например, как устойчивость почвы к воздействию ветровой эрозии, наличию больших объемов воды и т. п.

Так в пустыне не следует ожидать высокой влажности воздуха, но наоборот следует ожидать заметных изменений температуры в течение суток. Если рассматриваемая нами местность находится недалеко от экватора, и где-то рядом имеются большие массы воды (допустим, недалеко расположено море), то априори можно сказать, что господствующим направлением ветра летом будет от моря, а зимой наоборот. Понятно, что влажность в такой местности будет выше летом. Не следует, разумеется, считать, что, зная какой-то один «самый главный» параметр мы уже знаем весь набор факторов. Но разумные предположения о том на какие факторы необходимо обратить внимание, применительно к данной местности, сделать возможно. Таким образом, существует возможность, зная параметры местности, где предполагается использовать разрабатываемую техническую систему, сделать разумные предположения об условиях, в которых этой системе придется работать, т. е. о наборе факторов внешнего воздействия среды. Далее, разумеется, необходимо выяснить реальные значения параметров каждого фактора и провести детальный анализ их воздействия на разрабатываемую систему по одному и в тех сочетаниях, которые могут реализоваться в данной местности.

Выше шла речь о взаимной связи между климатическими факторами среды. Однако существуют связи климатических факторов с другими характерными для данной местности. Так, землетрясения и вызванные ими воздействия на систему механических факторов, скорее всего, следует ожидать на границах т. н. «платформ» или «щитов». Внешне эти границы достаточно часто привязаны к определенным видам рельефа, прежде всего к горам. Но горный климат достаточно специфичен и определить, априори, набор основных факторов внешнего воздействия для него не так уж и сложно.

Далее, если мы рассматриваем местность достаточно плоскую и окруженную столь же невыраженным рельефом, то можно предполагать, что воздух в такой местности может разгоняться до больших скоростей. Если при этом на пути его движения имеются почвы подверженные ветровой эрозии, то следует предполагать возможность пылевых или песчаных бурь. Какими они могут – быть зависит от вида почв. В любом случае может иметь место механическое воздействие воздушного потока с пылью на элементы технической системы. Вблизи от крупных промышленных центров следует ожидать присутствие в воздухе коррозионно-активных агентов, их же присутствие может обнаруживаться и на достаточно больших удалениях от их источника, но в направлении преимущественного движения воздушных масс. Примеры такого рода можно продолжать и далее, но и так понятно о чем идет речь.

В то же время необходимо обратить ваше внимание на еще один аспект проблемы - на связь других не климатических факторов внешнего воздействия с климатическими. Имеется в виду связь, например, биологических и климатических факторов. Как и выше эта связь не жесткая, не однозначная, но и здесь можно априори сделать разумные предположения.

Известно, что биологические организмы, в том числе и те которые мы вынуждены рассматривать как факторы внешнего воздействия на наши системы, не могут обитать в среде с произвольными параметрами. Для их существования необходим определенный диапазон температур, влажности и других параметров внешней среды. Если мы знаем этот набор для какого-то организма, который может выступить в роли вредного фактора для нашей техники, то мы можем оценить, есть ли необходимость рассматривать в данном конкретном случае воздействие именно этого организма или ее нет.

Понятно, что для технических систем, которые будут использоваться в тундре вряд ли необходимо к биологическим факторам внешней среды относить термитов (ну не живут они в тундре). В то же время если вы проектируете техническую систему для какой-нибудь африканской или латиноамериканской страны, то необходимо выяснить, не живут ли они на территории этой страны. Аналогично можно решить вопрос и относительно других биологических или небиологических факторов.

Из вышеизложенного следует, что набор факторов внешнего воздействия, который необходимо учитывать при разработке технической системы, например наземного базирования, не является произвольным и во многом зависит от климата местности, где предполагается использовать разрабатываемую систему. Уже во время предварительного анализа можно приблизительно оценить возможный набор этих факторов и отранжировать их по степени важности для разрабатываемой системы. Но далее обязательно должен следовать этап уточнения данных об этих факторах и, соответственно, новый этап анализа, но на этом этапе уже нет необходимости снова рассматривать все факторы, достаточно проанализировать только существенные. Это же справедливо и в отношении систем космического базирования.