ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2023-23-6-1214-1222ntv-53Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONАлгоритм оперативного поддержания температурного режима блоков усиления мощности передающего комплекса радиолокационной станции на основе тепловой моделиAlgorithm for promptly maintaining the temperature regime of power amplification units of the radar transmitting complex based on a thermal modelhttps://orcid.org/0009-0000-0877-7533ШафирР. С.ShafirR. S.

Шафир Роман Сергеевич — лаборант-исследователь

Москва, 117198

Roman S. Shafir — Research laboratory assistant

Moscow, 117198

romanshafir@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9255-7353ДавыдоваМ. А.DavydovaM. A.

Давыдова Марина Александровна — кандидат физико-математических наук, доцент

Москва, 119991

sc 7006472962

Marina A. Davydova — PhD (Physics & Mathematics), Associate Professor

Moscow, 119991

sc 7006472962

m.davydova@physics.msu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5336-4559КорпусовМ. О.KorpusovM. O.

Корпусов Максим Олегович — доктор физико-математических наук, доцент, профессор; ведущий научный сотрудник

Москва, 117198; Москва, 119991

Maxim O. Korpusov — D.Sc. (Physics & Mathematics), Associate Professor, Professor

Moscow, 117198; Moscow, 119991

korpusov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8480-3772ПерловА. Ю.PerlovA. Yu.

Перлов Анатолий Юрьевич — кандидат технических наук, доцент

Москва, 124498

sc 57215321304

Anatoly Yu. Perlov — PhD, Associate Professor

Moscow, 124498

sc 57215321304

laperlov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9791-142XТимошенкоА. В.TimoshenkoA. V.

Тимошенко Александр Васильевич — доктор технических наук, профессор, начальник комплексного отдела

Москва, 127083

sc 57217674240

Alexander V. Timoshenko — D.Sc, Professor, Head of Department

Moscow, 127083

sc 57217674240

u567ku78@gmail.comРоссийский университет дружбы народов имени Патриса ЛумумбыРоссияPeoples’ Friendship University of Russia named after Patrice LumumbaRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В.ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationРоссийский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы; Московский государственный университет имени М.В.ЛомоносоваРоссияPeoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba; Lomonosov Moscow State UniversityRussian FederationНациональный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»РоссияNational Research University MIETRussian FederationАО «Радиотехнический институт имени А.Л. Минца»РоссияJSC “Academician A.L.Mints Radiotechnical Institute”Russian Federation20231112202423612141222Copyright © Шафир Р.С., Давыдова М.А., Корпусов М.О., Перлов А.Ю., Тимошенко А.В., 20242024Шафир Р.С., Давыдова М.А., Корпусов М.О., Перлов А.Ю., Тимошенко А.В.Shafir R.S., Davydova M.A., Korpusov M.O., Perlov A.Y., Timoshenko A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/53

Введение. Тенденции развития современной радиоэлектронной аппаратуры, входящей в состав радиолокационных станций, заключаются в постоянном увеличении выходной излучаемой мощности. Это приводит к значительному повышению тепловыделения блоков усиления мощности как наиболее теплонагруженных. Для уменьшения отказов данных блоков, связанных с перегревом, предложен оригинальный алгоритм оперативного поддержания температурного режима. В основе алгоритма лежит тепловая модель, позволяющая, в отличие от известных моделей, производить расчет распределения температуры в блоке в режиме реального времени с учетом телеметрии с датчиков температуры, установленных внутри блока. Новизна предлагаемого алгоритма заключается в управлении системой охлаждения в реальном масштабе времени на основе прогноза температуры блоков, полученного с помощью тепловой модели. Метод. Тепловая модель базируется на математической формализации тепловых процессов с использованием метода анизотропного тела, который позволяет минимизировать вычислительные затраты на расчеты за счет представления блока усиления мощности в виде квазиоднородного тела. Основные результаты. Моделирование процесса распределения температуры в блоке усиления мощности выполнено в среде COMSOL. Для оценки эффективности алгоритма и возможности работы в режиме реального времени на этапе эксплуатации радиолокационной станции выполнен вычислительный эксперимент с использованием модельных данных. Результаты моделирования подтвердили возможность проведения вычислений распределения температуры в блоке в реальном масштабе времени. Обсуждение. В отличие от существующих алгоритмов поддержания температурного режима блока, основанных на показаниях температурных датчиков, определяющих температуру в текущий момент времени, разработанный алгоритм реализует прогноз температуры. Это позволяет принимать меры по охлаждению блока до наступления критических аварийных ситуаций.

The development trends of modern electronic equipment included in radar stations consist of a constant increase in the output radiated power. This leads to a significant increase in heat generation of power amplification units as the most heat-loaded ones. To reduce failures of these units associated with overheating, this work proposes an original algorithm for quickly maintaining the temperature regime. The algorithm is based on a thermal model, which allows, unlike the known ones, to calculate the temperature distribution in the block in real time, taking into account telemetry from temperature sensors installed inside the block. The novelty of the proposed algorithm lies in the real-time control of the cooling system based on the block temperature forecast obtained using a thermal model. The thermal model is based on the mathematical formalization of thermal processes using the anisotropic body method, which allows minimizing the computational costs of calculations by representing the power amplification unit as a quasi-homogeneous body. Simulation of the temperature distribution process in the power amplification unit was performed in the COMSOL. To evaluate the efficiency of the algorithm and the ability to operate in real time at the operational stage of the radar station, a computational experiment was performed using model data. The simulation results confirmed the possibility of calculating the temperature distribution in the block in real time. Unlike existing algorithms for maintaining the temperature regime of a block, based on the readings of temperature sensors that determine the temperature at the current moment in time, the developed algorithm implements a temperature forecast. This allows you to take measures to cool the unit before the onset of critical emergency situations.

тепловая модельрадиоэлектронный комплексблок усиления мощностивоздушное охлаждениеThermal modelradio-electronic complexpower amplification unitair coolingРабота выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-11-00056).The work was supported by the Russian Science Foundation (grant No. 23-11-00056).ReferencesГойденко В.К. Комплексная тепловая модель программно-аппаратного комплекса связи // Системы управления, связи и безопасности. 2019. № 1. С. 141–157. https://doi.org/10.24411/2410-9916-2019-10108Goydenko V.K. Complex thermal model of communication hardware and software system. Systems of Control, Communication and Security, 2019, no. 1, pp. 141–157. (in Russian). https://doi.org/10.24411/2410-9916-2019-10108Михайлов М.В., Продан Н.В., Ренев М.Е. Численное моделирование газодинамики при работе широкодиапазонного ракетного сопла с пористой вставкой // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23. № 4. С. 836–842. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-4-836-842Mikhailov M.V., Prodan N.V., Renev M.E. Numerical simulation of gas dynamics during operation of a wide-range rocket nozzle with a porous insert. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2023, vol. 23, no. 4, pp. 836– 842. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-4-836-842Тукмакова А.С., Демченко П.С., Тхоржевский И.Л., Новотель нова А.В., Ходзицкий М.К. Моделирование процесса стационарного термоотражения для измерения теплопроводности материалов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22. № 6. С. 1216–1225. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-6-1216-1225Tukmakova A.S., Demchenko P.S., Tkhorzhevskiy I.L., Novotelnova A.V., Khodzitsky M.K. Simulating the process of steady-state thermoreflectance for measuring the thermal conductivity of materials. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2022, vol. 22, no. 6, pp. 1216– 1225. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-6-1216-1225Скибина Н.П. Численное исследование нестационарного течения газа в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя с учетом процесса теплообмена // Вычислительные технологии. 2020. Т. 25. № 6. С. 50–61. https://doi.org/10.25743/ICT.2020.25.6.003Skibina N.P. Computational study of unsteady gas flow in the combustion chamber of a ramjet engine with heat transfer. Computational Technologies, 2020, vol. 5, no. 6, pp. 50–61. (in Russian). https://doi.org/10.25743/ICT.2020.25.6.003Дегтярев А.А., Молчанов А.В. Верификация расчета нагрева фюзеляжа беспилотного летательного аппарата реактивной струей турбореактивного двигателя // Вестник Концерна ВКО «Алмаз — Антей». 2020. № 3. С. 69–76. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-3-69-76Degtyarev A.A., Molchanov A.V. Verification of calculations for heating the fuselage of an unmanned aerial vehicle with a jet stream of a turbojet engine. Journal of “Almaz – Antey” Air and Space Defence Corporation, 2020, no. 3, pp. 69–76. (in Russian). https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-3-69-76Викулов А.Г. Математическое моделирование теплообмена в космических аппаратах // Вестник Концерна ВКО «Алмаз — Антей». 2017. № 2. С. 61–78. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-2-61-78Vikulov A.G. Mathematical simulation of heat transfer in spacecraft. Journal of “Almaz — Antey” Air and Space Defence Corporation, 2017, no. 2, pp. 61–78. (in Russian). https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-2-61-78Сухоруков М.П. Исследование и нахождение оптимальных тепловых моделей электрорадиоизделий радиоэлектронной аппаратуры // Интернет-журнал «Науковедение». 2017. Т. 9. № 6. P. 102.Sukhorukov M.P. Research and finding the optimal thermal modelsof electronic radio products of radio electronic equipment. Naukovedenie, 2017, vol. 9, no. 6, pp. 102. (in Russian)Шалумов А.С., Першин Е.О., Шалумов М.А. АСОНИКА-М-ЭО: моделирование произвольных конструкций электроники на механические и тепловые воздействия // Автоматизация. Современные технологии. 2019. Т. 73. № 7. С. 291–300.Shalumov A.S., Pershin E.O., Shalumov M.A. ASONIKA-M-3D: simulation of arbitrary electronic structures on mechanical and thermal effects. Automation. Modern technologies, 2019, vol. 73, no. 7, pp. 291–300. (in Russian)Шалумов А.С., Чабриков С.В., Шалумов М.А. АСОНИКА-Т: анализ и обеспечение тепловых характеристик конструкций аппаратуры // Автоматизация. Современные технологии. 2018. Т. 72. № 7. С. 291–301.Shalumov A.C., Chabrikov S.V., Shalumov M.A. ASONIKA-T: analysis and ensuring of the apparatus thermal characteristics. Automation. Modern technologies, 2018, vol. 72, no. 7, pp. 291–301. (in Russian)Тимошенко А.В., Перлов А.Ю., Гончаренко В.И., Ермаков А.В. Моделирование тепловых процессов в передающих комплексах радиолокационных станций мониторинга // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2021. № 4. С. 180–187.Timoshenko A.V., Perlov A.Y., Goncharenko V.I., Ermakov A.V. Modeling of thermal processes in transmitting complexes of radar monitoring stations. Russian Aeronautics, 2021, vol. 64, no. 4, pp. 783–791. https://doi.org/10.3103/s1068799821040255Аронов П.С., Галанин М.П., Родин А.С. Математическое моделирование контактного взаимодействия элементов твэла с учетом ползучести на основе mortar-метода // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2020. № 110. C. 1–24. https://doi.org/10.20948/prepr-2020-110Aronov P.S., Galanin M.P., Rodin A.S. Mathematical modeling of the contact interaction of the fuel element with creep using the mortarmethod. Keldysh Institute Preprints, 2020, no. 110, pp. 1–24. (in Russian). https://doi.org/10.20948/prepr-2020-110Ежова Н.А., Соколинский Л.Б. Обзор моделей параллельных вычислений // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика. 2019. Т. 8. № 3. С. 58–91. https://doi.org/10.14529/cmse190304Ezhova N.A., Sokolinsky L.B. Survey of parallel computation models. Bulletin of the South Ural State University. Series: Computational Mathematics and Software Engineering, 2019, vol. 8, no. 3, pp. 58–91. (in Russian). https://doi.org/10.14529/cmse190304Спевак Л.Ф., Нефедова О.А. Численное решение двумерного нелинейного уравнения теплопроводности с использованием радиальных базисных функций // Компьютерные исследования и моделирование. 2022. Т. 14. № 1. С. 9–22. https://doi.org/10.20537/2076-7633-2022-14-1-9-22Spevak L.F., Nefedova O.A. Numerical solution to a two-dimensional nonlinear heat equation using radial basis functions. Computer Research and Modeling, 2022, vol. 14, no. 1, pp. 9–22. (in Rusian). https://doi.org/10.20537/2076-7633-2022-14-1-9-22Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1984. 247 с.Dul’nev G.N. Heat and Mass Transfer in Electronic Equipment. Moscow, Vysshaya Shkola Publ., 1984, 247 p. (in Russian)Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978. 512 с.Kalitkin H.H. Numerical Methods. Moscow, Nauka Publ., 1978, 512 p. (in Russian)Альшин А.Б., Альшина Е.А., Болтнев А.А., Качер О.А., Корякин П.В. Численное решение начально-краевых задач для уравнений соболевского типа методом квазиравномерных сеток // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2004. Т. 44. № 3. С. 493–513.Al’shin A.B., Al’shina E.A., Boltnev A.A., Kacher O.A., Koryakin P.V. Numerical solution of initial-boundary value problems for Sobolev-type equations on quasi-uniform grids. Computational Mathematics and Mathematical Physics, 2004, vol. 44, no. 3, pp. 465–484.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.