Обеспечение эксплуатационной надежности наноэлектромеханических сенсоров информационно-управляющих комплексов подвижных объектов: мировоззренческие аспекты

АННОТАЦИЯ

Приводится обоснование актуальности использования мировоззренческого подхода для обеспечения заданной эксплуатационной надежности современных наноэлектромеханических инерциальных сенсоров информационно-управляющих комплексов подвижных объектов.

ABSTRACT

Justification of relevance of using the world outlook approach for ensuring the set operational reliability of modern nanoelectromechanical inertial sensors of data management complexes of mobile objects is given.

Функционирование информационно-управляющих комплексов летательных аппаратов, в частности систем ориентации, навигации и стабилизации, различных классов невозможно без использования информации о параметрах движения основания. Для решения указанных задач необходима информация о проекциях вектора линейного ускорения; углах, определяющих ориентацию летательного аппарата в заданной системы координат; проекциях вектора угловой скорости – скоростях изменения параметров угловой ориентации. В автономных системах ориентации, навигации и стабилизации источниками такой информации являются инерциальные сенсоры – акселерометры и гироскопические датчики углов и угловых скоростей.

Требования дальнейшей микроминиатюризации сенсоров параметров движения основания сопряжены с решением проблем технологии их производства и топологии самих сенсоров. В настоящее время перспективной базой изготовления таких сенсоров является технология производства микроэлектромеханических систем (МЕМС) или MEMS-технология. Она, как правило, основывается на тех или иных способах планарной или трехмерной обработке кремния. С ее помощью изготавливают многие компоненты современных сенсоров. Для класса инерциальных сенсоров параметров движения основания, а к нему относятся микромеханические акселерометры и гироскопы, это и инерциальная масса, и элементы ее упругой подвески в корпусе, и преобразователь перемещений массы в выходной сигнал, и компоненты сервисной электроникой. При уменьшении весогабаритных характеристик современных сенсоров проектировщикам и производителям приходится учитывать специфические квантовомеханических эффекты. Это обусловлено тем, что зазоры между отдельными элементами сенсоров определяются десятками и единицами нанометров, а также использованием нетрадиционных типов преобразователей перемещений. Речь идет о корпускулярно-волновом дуализме микрочастиц – носителей информации, необходимости учета эффекта Казимира, дефектах структуры кристаллической решетки материалов деталей, взаимных превращений двух форм материи – вещества и поля, статистическом характере описания закономерностей микромира, проблеме преобразований наблюдателя и пр. В этом случае такой сенсор классифицируется уже как наноэлектромеханическое устройство или наноэлектромеханический сенсор (НЭМС) [2]. Названые явления и эффекты, свойственные микромиру, становятся существенно значимыми и оказывают влияние на характеристики сенсоров, в том числе и на показатели надежности, поскольку обусловливают возникновение так называемых связанных отказов. В силу органического сочетания в таких сенсорах объектов и законов классической физики и физики микромира рассмотрение мировоззренческих аспектов обеспечения надежности представляется актуальной и значимой для элементной базы современной авионики.

Актуальность такого подхода к решению, казалось, сугубо технического вопроса, очевидна, поскольку без этого эффективная разработка вопросов методологии устойчивого развития современных микро- и наносенсоров, с помощью которых современный человек получает информацию об окружающем мире, становится весьма проблематичной. Недостаточная проработка этой тематики на современном уровне развития обусловлена существовавшим в течение длительного времени односторонним подходом к надежности, когда рассматривалась преимущественно только та или иная ее количественная оценка. Попытки создания комплексных показателей надежности, как правило, ограничивались рассмотрением наряду с техническими различных экономических показателей, что позволяло оценивать технико-экономическую эффективность того или иного этапа работ по обеспечению заданной надежности.

При этом возрастающая сложность сенсоров, использование в них эффектов не только привычного мира, но и квантово-механических взаимодействий, расширение функций и увеличение стоимости последствий возможных отказов систем авионики, повышение требований к качеству изделий и условиям их работы объективно определяют необходимость использования системного подхода к решению проблемы повышения эксплуатационной надежности, включающего, в том числе и мировоззренческие аспекты ее обеспечения.

Для системного подхода, в свою очередь, присущ свой, классический инструментарий, включающий, в частности, применение операции декомпозиции проблемы, всесторонний анализ составных частей проблемы и их взаимное влияние, свертку полученных результатов для последующего комплексного анализа результатов с целью обоснованного принятия решения о направлении дальнейшего развития исследований. С этими этапами на практике сталкивается любой исследователь в области естественных наук – наблюдатель. Исследуя окружающий мир самостоятельно или с помощью тех или иных сенсоров, наблюдатель выполняет расчленение, декомпозицию целостной системы на составные части – подсистемы. На практике это часто происходит на уровне подсознания, без должного анализа места и роли подсистемы в системе. Очевидно, что любое исследование должно завершиться операцией, обратной декомпозиции, позволяющей вписать результаты выполненных исследований в уже существующую картину мира. Отмеченные операции и образуют полный замкнутый цикл преобразований наблюдателя [1].

Наблюдатель или исследователь, создающий с помощью своих инструментов некоторую систему знаний, тем самым превращает целостную мультипликативную реальность в аддитивную конструкцию. Зачастую этот процесс, в силу отмеченных выше обстоятельств, может сопровождаться потерей существенных свойств целого (системы), а значит, принятием недостаточно эффективных решений. В этом случае создаются предпосылки для искажения системы знаний как о предмете исследований, так и об окружающем мире в целом.

На практике учет преобразований наблюдателя, как одного из основных методологических принципов естествознания, до настоящего времени сопровождается значительными трудностями для исследователей в самых разных областях. В том числе и в области создания и применения НЭМС сенсоров и обеспечения их надежности. Необходимость учета явлений микромира при создании инструментария для познания макромира вновь определяет актуальность философской проблематики о соотношении идеального и материального. До настоящего времени, на протяжении всей истории развития естествознания, категории идеального и материального не могут образовать диалектического единства. И это при том, что философская наука приняла в качестве постулата единство и целостность мира. Для доказательства единства указанных категорий некоторые авторы отождествляют идеальное с информацией, но такой подход не является неоспоримым, о чем свидетельствуют многочисленные работы отечественных и зарубежных философов.

Также одним из определяющих и все более актуальным является вопрос о взаимосвязи структуры сенсора и выполняемых им функций. Использование резервирования, как одного из основных, а зачастую и единственного способа обеспечения заданной эксплуатационной надежности, должно осуществляться с учетом не только технических требований, но и с учетом экономических критериев, социальных аспектов и пр. Поэтому комплекс мероприятий по повышению надежности НЭМС сенсоров должен основываться не только на технических, технологических и экономических аспектах, но и на категориях качества, количества и меры, подчиняться законам диалектики.

Решение фундаментальной проблемы надежности возможно только с позиций единства детерминистского, вероятностного и эвристического подходов и зависит от природы объекта познания, уровня развития наук и технологий, создающих инструменты познания первичного объекта. В основе работы НЭМС сенсора ускорений с туннельным преобразователем перемещений инерционной массы [3] органически сочетаются законы классической физики и закономерности микромира. Эффективность такого датчика неразрывным образом связана с уровнем развития знаний в области нанотехнологии и адекватным разрешением проблемы оценки достоверности получаемой информации (часть проблемы преобразований наблюдателя). Системный подход к разработке и совершенствованию НЭМС базируется на использовании известных категорий диалектики – часть и целое, содержание и форма, качество и количество и других [4].

В соответствии с системным подходом показатели надежности сенсоров должны формироваться путем многокритериальной оптимизации с учетом эксплуатационных, климатических, социальных, эргатических и других факторов. Наиболее интересным в философском аспекте представляется социальный фактор. Современные технические системы нельзя рассматривать изолированно не только от человека-оператора, но и от социума в целом. Учет этого обстоятельства посредством только достижений эргономики представляется недостаточным. Необходимо комплексное рассмотрение проблемы человека-оператора, главным образом, как субъекта, осуществляющего процессы преобразования информации с целью формирования объективной картины окружающего мира.

С позиций обеспечение надежности системы «объект исследования – сенсор – человек-оператор – образ окружающего мира» одна из главных задач смещается в область инженерной психологии. Необходимо обеспечить надежность как самого человека-оператора и соответствующего сенсора, так и выполняемых ими операций по преобразованию информации. В случае получения информации о микромире с присущими ему закономерностями с помощью классического инструментария именно философский подход к анализу полученных результатов позволит избежать возможное нематериалистическое истолкование новых сведений об окружающем мире и исключить эмпирический подход. В то же время системный подход к решению указанной проблемы должен стимулировать проведение соответствующих углубленных исследований не только в смежных областях знаний с учетом их взаимосвязи, но и соответствующие философские изыскания по указанной выше проблематике.

Требуют отдельной проработки и вопросы назначения научно-обоснованных требований к такой стороне надежности, как долговечность создаваемых сенсоров. Механистический подход к назначению соответствующих параметров и последующее выполнение этих требований на стадиях проектирования и производства очевидным образом могут привести к непредвиденным последствиям. Результатом такого движения в сторону «улучшения надежности» может стать факт, когда сама надежность из своеобразного катализатора развития научно-технического прогресса в определенной области может превратиться в его тормоз. Существование долговечных и безотказных сенсоров перестанет стимулировать развитие исследований в соответствующих областях науки и техники, исчезнут стимулы для совершенствования технологии их производства, сократится объем их выпуска. Без разрешения этого диалектического противоречия, связанного с надежностью, поступательное движение прогресса в области совершенствования инструментария современных исследователей в ближайшее время может столкнуться с определенными трудностями в виде уменьшения темпов развития.

Для предотвращения этого на государственном уровне должна быть разработана и принята дорожная карта развития микросистемной техники в целом и НЭМС сенсоров в частности. Для обеспечения устойчивого развития в этой области и занятия Россией передовых позиций в виде гарантированного создания высоконадежных и эффективных сенсоров к разработке этой карты должны быть привлечены ученые и специалисты ведущих отечественных предприятий, научно-исследовательских организаций и университетов, имеющих весомый научно-технический задел в соответствующей области знаний. Гарантированное обеспечение эффективности выполнения такой программы сможет обеспечить обязательное привлечение к ее созданию ученых в области гуманитарных наук: философов, психологов, социологов.