Введение к работе
Актуальность работы
На современном этапе развития спутниковых систем возникла необходимость в разработке космических аппаратов (КА) нового поколения в негерметичном исполнении, срок активного существования (САС) которых должен составлять не менее 15 лет. Одним из требований к таким КА является обеспечение высокой надежности функционирования в течение всего САС. Следовательно, возрастают и требования к качеству бортовой аппаратуры (БА), как полезной нагрузки, так и служебных систем, одной из которых является бортовой комплекс управления (БКУ). Его аппаратура разрабатывается по магистрально-модульному принципу с учетом последних достижений в области миниатюризации и унификации. При решении задач проектирования всё более острой становится проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) электронных узлов такой БА. Особое внимание в решении этой проблемы уделяется излучаемым помехоэмиссиям, растущим вследствие постоянного расширения диапазона рабочих частот, что, в свою очередь, приводит к возрастанию требований к наземным испытаниям. В соответствии со стандартами в области ЭМС, такими как MIL-STD-461F, МЭК 61000-2-13, AIAA S-121-2009, испытания БА рекомендуется проводить в диапазонах частот до 1,18, 40 и даже 100 ГГц.
Не меньшее внимание уделяется восприимчивости к воздействию мощных электромагнитных импульсов наносекундного и су бнано секундного диапазонов, поскольку они способны проникать в различную радиоэлектронную аппаратуру (РЭА), минуя экраны приборов. Типовыми формами таких сверхкоротких импульсов (СКИ) являются затухающая синусоида и гауссов импульс. Традиционными схемотехническими средствами защиты от таких воздействий являются фильтры, устройства развязки, ограничители помех, разрядные устройства, а конструктивными -экранирование и методы повышения однородности экранов, заземление и методы уменьшения импедансов цепей питания и заземления. Такая защита применяется и для уменьшения негативного влияния электростатических разрядов (ЭСР), образующихся на поверхности КА вследствие его электризации. Оно в большей степени сказывается на приборах, расположенных на поверхности КА. Их соединительные кабели служат одним из наиболее простых путей проникновения внутрь БА кондуктивных импульсных помех схожих по форме с СКИ.
Таким образом, рассмотренный метод защиты имеет уязвимые места в области высоких частот, поэтому поиск новых перспективных методов защиты от негативного воздействия ЭСР на БА КА, а следовательно, и СКИ, остается, по-прежнему, актуальным.
В последнее время специалистами ТУСУРа в области ЭМС активно ведется исследование разложения СКИ в отрезках связанных линий в виде плоских кабелей и различных структур с неоднородным диэлектрическим заполнением. Результатом проведенных исследований стали модальные
фильтры (МФ), способные защищать различные электронные приборы от СКИ, путем их разложения на импульсы меньшей амплитуды за счет разной скорости распространения мод сигнала в связанной линии с неоднородным диэлектрическим заполнением. Существенными достоинствами таких устройств защиты являются небольшая масса, высокая надежность, радиационная стойкость, что делает перспективным их применение в БА КА. Для изготовления такого фильтра можно использовать фольгированный стеклотекстолит или полиимид, широко применяемые в БА КА. В ряде случаев для изготовления МФ не требуется наличия компонентов. Однако в проведенных исследованиях не учитывалась специфика БА КА. Поэтому необходимо исследовать существующие структуры МФ на предмет их использования в качестве элементов БА и разработать новые адаптированные к такой специфике структуры.
Цель работы - обеспечение ЭМС приборов БКУ КА. Для её достижения необходимы: анализ общих вопросов ЭМС на примере конкретных приборов БКУ; исследование эффекта разложения импульса в новых (адаптированных к БА) структурах связанных линий с неоднородным диэлектрическим заполнением; разработка и исследование характеристик многокаскадных МФ с последующим анализом возможности применения таких структур в БА.
В работе применены: квазистатический анализ, параметрическая оптимизация генетическими алгоритмами, экспериментальное и компьютерное моделирование, теория линий передачи, метод моментов, модифицированный узловой метод.
Достоверность результатов основана на корректном использовании численных методов и теории, согласованности результатов эксперимента и моделирования, использовании результатов на практике.
Научная новизна
-
Выполнен комплексный анализ электромагнитной совместимости приборов из состава бортового комплекса управления космического аппарата.
-
Впервые экспериментально подтверждено разложение сверхкороткого импульса в модальных фильтрах: с лицевой связью; на основе гибкого печатного кабеля; семикаскадных.
-
Впервые рассмотрена специфика воздействия электростатического разряда и затухающего высокочастотного воздействия на модальный фильтр в виде гибкого печатного кабеля.
-
Впервые показана целесообразность и возможность использования модальной фильтрации в приборах бортового комплекса управления.
-
Выявлены новые закономерности поведения характеристик модальных фильтров на подложке из стеклотекстолита.
Теоретическая значимость
1. Доказана возможность подавления сверхкоротких импульсов в модальном фильтре с лицевой связью.
-
Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс численных методов (метод моментов, модифицированный узловой метод).
-
Изложена идея использования модальной фильтрации для подавления помех от воздействия электростатического разряда.
-
Раскрыта специфика распространения электростатического разряда и затухающего высокочастотного воздействия через модальный фильтр.
-
Установлено наличие ярко выраженного максимума разности погонных задержек мод модального фильтра на тонкой подложке из стеклотекстолита.
Практическая значимость
-
С учетом комплексного анализа электромагнитной совместимости разработаны модули управления электрообогревателями участка выведения космического аппарата и модуль контроля температур.
-
Разработаны и апробированы программы для автоматизированного проектирования модальных фильтров с лицевой связью.
-
Предложены варианты использования модальной фильтрации в приборах бортового комплекса управления.
-
Показано, что влияние покрывающих слоев лака на ослабление помеховых сигналов в модальном фильтре с лицевой связью незначительно, а наличие металлического основания под модальным фильтром не позволяет использовать его по назначению.
Использование результатов исследований
-
ОКР «Разработка унифицированного ряда электронных модулей на основе технологии "система-на-кристале" для систем управления и электропитания космических аппаратов связи, навигации и дистанционного зондирования Земли с длительным сроком активного существования» для ОАО "ИСС" (госконтракт 4216 от 24.10.2010).
-
Учебный процесс Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» по целевой подготовке магистрантов физико-технического факультета по программе «Космические промышленные системы» для предприятия «Газпром космические системы» (г. Королев).
-
Обеспечение электромагнитной совместимости приборов бортового комплекса управления космических аппаратов ОАО "ИСС".
Апробация результатов. Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись в материалах следующих конференций: Всеросс. научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2008, 2011 г.; научно-техн. конф. молодых специалистов ОАО "ИСС" "Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем", г. Железногорск, 2011 г.; Межд. IEEE-сибирская конф. по управлению и связи (SIBCON-2011), г.Красноярск, 2011г.; Межд. научная конф. "Решетневские чтения". г.Красноярск, 2009, 2010 г.; Научно-техн. конф. "Электронные и электромеханические устройства",
НПЦ "Полюс", Томск, 2011 г.; Всеросс. конф. "Актуальные проблемы авиации и космонавтики", посвященная Дню космонавтики, г. Красноярск, 2011 г.; Межд. Симп. по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2011 г.; Межд. конф. по защите от молнии, г. Вена, Австрия, 2012 г., Межд. конф. EUROEM, г. Тулуза, Франция, 2012.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 17 работ, в т.ч.
3 статьи в журналах из перечня ВАК, 3 работы в трудах зарубежных
конференций.
Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят: введение,
4 главы, заключение, список литературы из 67 наим., приложение. Объём
диссертации составляет с приложением 161 с, в т.ч. 93 рис. и 12 табл.
Личный вклад. Научные результаты, представленные в диссертации, получены автором. Ряд работ выполнен совместно с коллегами из ОАО «ИСС». Постановка цели работы и задач исследования выполнена совместно с Т. Р. Газизовым. Программная реализация файлов анализа МФ выполнена совместно с А. М. Заболоцким и А. О. Мелкозеровым. Макеты МФ с лицевой связью спроектированы автором. Экспериментальные исследования, анализ результатов моделирования и эксперимента, а также формулировка основных результатов и выводов, выполнены совместно с Т. Р. Газизовым, А. М. Заболоцким, П. Е. Орловым. Некоторые результаты исследований получены совместно с соавторами опубликованных работ.
Положения, выносимые на защиту
1. На основе модальных фильтров на подложке из стеклотекстолита
возможно создание устройств защиты приборов бортового комплекса
управления космических аппаратов от сверхкоротких импульсов.
-
Модальный фильтр с лицевой связью на подложке из стеклотекстолита, имеющий длину 0,2 м, способен уменьшить в 5 раз амплитуду импульса длительностью 1 нс и подавить на 40 дБ гармонический сигнал частотой 800 МГц.
-
Гибкий печатный кабель, используемый в приборах бортового комплекса управления, обладает свойствами модального фильтра.
