Введение к работе
Актуальность работы. Непрерывный рост влияния космической техники на различные аспекты жизни общества предъявляет к ней все более высокие требования. Современный космический аппарат (КА) - высокотехнологичное устройство, состоящее из множества приборов, устройств и измерительной аппаратуры, связанных между собой высокочастотными и низкочастотными линиями передачи. Поэтому их надежности, контролю и диагностике необходимо уделять особое внимание. Поскольку традиционные подходы, успешно применяемые в гражданской технике, не всегда соответствуют требованиям, предъявляемым к ним космонавтикой, необходимы новые подходы, в том числе основанные на эффектах, возникающих при распространении электромагнитных волн по линиям передачи.
Задача увеличения срока активного существования КА на орбите до 15 лет требует повышения надежности и обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Сложная электромагнитная обстановка (ЭМО) орбиты, переход на негерметичный корпус, наряду с высокой плотностью монтажа и увеличивающейся шириной спектра полезных сигналов, приводят к необходимости жесткого ограничения излучаемых эмиссий. К сожалению, обычные методы (например, экранирование) часто неприемлемы для КА, поскольку ведут к ухудшению мас-согабаритных показателей.
Для КА важен мониторинг кондуктивных эмиссий в электрических цепях. Даже в процессе наземных испытаний в аварийных режимах работы КА возникают ситуации ухудшения ЭМО, приводящие к аномалиям в логике функционирования. Для придания результатам испытаний большей объективности применяются приборы наземного контроля и регистрации помех, позволяющие регистрировать стохастические кондуктивные помехи в электрических цепях. Однако измерения с их помощью имеют свои недостатки - возможны внешние наводки на длинные измерительные цепи и потери (затухание) кондуктивных помех в измерительных цепях от точек контроля до самого измерителя. Это может приводить к снижению достоверности измерения. Очевидно, что для повышения достоверности результатов измерения параметров помех необходимо приблизить измеритель к точкам контроля, т.е. поместить его внутри КА. При летной эксплуатации это позволит выполнять мониторинг ЭМО и прогноз возникновения аномальных ситуаций.
Особенностью схемотехники и трассировки печатных плат КА является резервирование трасс: параллельное электрическое соединение от одной точки к другой двумя трассами, проведенными разными путями. При этом могут образовываться большие контуры протекания токов со значительными излучаемыми эмиссиями.
Данные тенденции требуют новых подходов, обеспечивающих ЭМС, контроль и диагностику функционирования электрических соединений аппаратуры космического применения. Разработка и исследование этих подходов невозможны без тщательного моделирования. В этой связи актуальным становится применение систем электродинамического и квазистатического моделирования.
Однако, оценке точности и корректности результатов моделирования необходимо уделять особое внимание, поскольку использование систем моделирования требует высокой компетентности в смежных областях: физика волновых процессов, высшая математика, вычислительная техника.
Цель работы - разработка методов и устройств контроля, диагностики и обеспечения электромагнитной совместимости электрических соединений аппаратуры космического применения.
Для её достижения необходимо решить следующие задачи:
-
Исследовать применение модального разложения сигнала для обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений.
-
Разработать новые подходы к обеспечению ЭМС КА.
-
Разработать комплекс программ для моделирования модального разложения сигнала в электрических соединениях.
В работе применены: экспериментальное и компьютерное моделирование, электродинамический и квазистатический анализ, численные методы (метод моментов, метод конечных интегралов, модифицированный узловой метод).
Достоверность результатов подтверждена сравнением результатов моделирования с результатами, полученными с помощью других программных продуктов, и с экспериментальными результатами.
Научная новизна
-
Разработан и обоснован новый бесконтактный метод обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений, отличающийся применением модального разложения импульсного сигнала.
-
Выявлена зависимость длины наибольшего отрезка трехпроводной структуры от частоты первого минимума спектра гауссова импульса, распространяющегося по этой структуре, и разности погонных задержек синфазной и дифференциальной мод.
-
Получены формулы для определения числа субимпульсов при неполном модальном разложении.
-
Предложена новая концепция создания датчиков для контроля электромагнитной обстановки, отличающихся интегрированностью в печатные платы и использованием перекрестных наводок.
-
Предложено проведение трасс с резервированием, отличающееся учетом излучения от образованных контуров протекания прямого и обратного токов.
Теоретическая значимость
-
Теоретически доказана возможность применения модального разложения импульсного сигнала для обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений.
-
Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс численных методов (метод моментов, метод конечных интегралов, модифицированный узловой метод).
-
Изложена концепция создания интегрированных датчиков для контроля электромагнитной обстановки в бортовой аппаратуре космических аппаратов.
4. Изучена связь частоты минимума в спектре гауссова импульса на дальнем конце активной линии с разностью полных задержек синфазной и дифференциальной мод в связанных линиях.
Практическая значимость
-
Предложены и защищены патентами на изобретение устройство обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных линий передачи и устройство обнаружения импульсов в многопроводных линиях передачи.
-
Представлены рекомендации по уменьшению электромагнитного поля цепей с резервированием трасс, только за счет изменения их трассировки, для пяти модулей комплекса энергопреобразования космического аппарата «Экспресс-АМ5».
-
Создан комплекс программ для квазистатического моделирования модального разложения сигнала в электрических соединениях.
Использование результатов
-
Результаты имитационного моделирования распространения импульса в структурах с модальным разложением сигнала использованы при выполнении проекта по программе «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор КР 04/08 от 1.01.2008).
-
Принцип применения модального искажения сигнала для обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных соединений использован в ходе выполнения составной части ОКР «Разработка и поставка аппаратно-программного комплекса для проведения анализа взаимовлияний электрических сигналов бортовой аппаратуры» (хоздоговор 28/08 от 14.04.2008 с ОАО «ИСС», г. Желез-ногорск).
-
Исследования модальной фильтрации в полосковых структурах использованы для изготовления и поставки 12 макетов модальных фильтров для защиты сети Fast Ethernet от сверхкоротких импульсов (хоздоговор НИИЦ/НИР/10-01 от 15.01.2010 с ФГУП «ЦентрИнформ», г. Санкт-Петербург).
-
Результаты вычислительного и натурного экспериментов по распространению импульса в структурах с модальным разложением сигнала использованы в ходе ОКР «Разработка комплекса программных и технических средств для контроля информационных магистралей, обеспечения электромагнитной совместимости и исследования надежности унифицированного ряда электронных модулей на основе технологии "система-на-кристалле" для систем управления и электропитания космических аппаратов связи, навигации и дистанционного зондирования Земли с длительным сроком активного существования» (тема «УЭМ-ТУ-СУР», хоздоговор 95/10 от 24.11.2010 в рамках реализации постановления 218 Правительства РФ).
-
Предложенное применение трасс печатных плат БА КА для создания датчиков контроля ЭМО в БА КА использовано в ходе разработки аванпроекта ОКР «Разработка принципов построения и элементов системы автономной навигации с применением отечественной специализированной элементной базы на основе наногетероструктурной технологии для космических аппаратов всех типов орбит» (тема «САН», хоздоговор 96/12 от 16.11.2012 с ОАО «ИСС» в рамках реализации постановления 218 Правительства РФ).
-
Результаты электродинамического моделирования семикаскадных модальных фильтров различной конфигурации использованы в ходе НИОКР «Разработка эскизных проектов модальных фильтров защиты различной аппаратуры от импульсов высокого напряжения» в рамках программы «СТАРТ» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор 8569р/13904 от 17.12.2010).
-
Разработанный комплекс программ, анализ спектра сигнала на выходе двух- и трехпроводной структур многослойной печатной платы использованы в ходе ОКР «Создание устройства обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных структур на основе модального зондирования» в рамках программы «СТАРТ» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор 10466р/18719 от 08.06.2012).
-
Разработанный комплекс программ использован в учебном процессе Томского государственного университета: целевая подготовка магистрантов физико-технического факультета по программе «Космические промышленные системы» для предприятия «Газпром космические системы», г. Королев.
-
Программы для вычисления в системе TALGAT матриц первичных параметров, частотного и временного откликов в структурах плоских кабелей и печатных плат внедрены в учебный процесс ТУСУРа: использованы в практических и лабораторных работах, а также в ходе выполнения выпускной квалификационной работы.
Апробация результатов. Результаты исследований автора позволили подготовить заявки и победить в конкурсах:
-
«УМНИК» Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере, 2007.
-
«СТАРТ» Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере, 2012.
-
Соискание стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, 2013.
-
Научные достижения молодых ученых Томской области, 2013.
-
Грант РФФИ 13-07-98017 рсибирьа, 2013.
Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись в материалах следующих конференций: Всерос. научно-практ. конф. «Проблемы инф. безопасности государства, общества и личности», г. Томск, 2007; Межд. молодежная научная конф. «Туполевские чтения», г. Казань, 2007; Межд. научно-практ. конф. «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2008,2010; Всерос. научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР», г. Томск, 2007, 2010, 2011, 2012; Научно-техн. конф. «Электронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск, 2008, 2010; Межд. симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2011; Межд. конф. по защите от молний ICLP, г. Вена, Австрия, 2012; Межд. конф. EU-ROEM, г. Тулуза, Франция, 2012.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 работ (7 работ без соавторов), в т.ч. 1 монография, 8 статей в журналах из перечня ВАК, 3 работы в трудах зарубежных конференций, 3 патента на полезную модель, 4 патента на изобретение, 3 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят введение, 4 главы, заключение, список литературы из 119 наим., приложение 15 с. Объём диссертации без приложения - 192 с, в т.ч. 141 рис. и 39 табл. Во Введении представлена краткая характеристика работы. В гл. 1 выполнен обзор исследований по модальному разложению сигнала, совершенствованию ЭМС, контроля и диагностики электрических соединений, а также резервированию. В гл. 2 обоснована возможность применения модального разложения для обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений. В гл. 3 приведены новые подходы к обеспечению ЭМС КА. В гл. 4 представлено описание комплекса программ для квазистатического моделирования модального разложения сигнала в электрических соединениях. В Заключении подведены итоги работы. Далее приведён список литературы. В Приложении представлены копии документов, подтверждающих использование результатов работы.
Личный вклад. Все результаты работы получены автором лично или при непосредственном его участии. Эксперимент выполнен совместно с Заболоцким A.M. Обработка и интерпретация результатов выполнена лично автором. Подготовка основных публикаций выполнена автором совместно с Газизо-вым Т.Р.
Положения, выдвигаемые для публичной защиты
-
Модальное разложение импульсного сигнала применимо для бесконтактного обнаружения и диагностики электрических соединений.
-
Длина наибольшего отрезка при разрыве в пассивном проводнике трехпроводной структуры обратно пропорциональна произведению частоты первого минимума спектра гауссова импульса, распространяющегося по этой структуре, на разность погонных задержек синфазной и дифференциальной мод, если она не равна нулю.
-
Предложенное проведение трасс в цепях с резервированием (создающее противоположные направления токов в контурах, так что поле контура, образованного резервируемой трассой прямого тока и трассой обратного тока, компенсируется полем контура, образованного резервной трассой прямого тока и трассой обратного тока) позволяет уменьшить до 14 раз уровень напряженности поля за счет изменений топологии печатных проводников.
