Введение к работе
Актуальность темы
Электризация высокоорбитальных космических аппаратов (КА) определяется воздействием на поверхность аппаратов потоков электронов и ионов космической плазмы. Это приводит к дифференциальному заряжению элементов КА и, как следствие, возникновению между элементами КА, изготовленными из различных диэлектрических материалов, значительных разностей потенциалов (до 10 кВ). Когда уровни максимальной напряженности электрического поля начинают превышать уровень критического поля в диэлектрике, происходят электростатические разряды (ЭСР). В результате по конструкции КА протекают импульсные токи, являющиеся источниками электромагнитных помех (ЭМП).
Основными рецепторами электромагнитных помех от конструкционных токов являются фрагменты бортовой кабельной сети (БКС), проложенные по внешней поверхности КА. В этих фрагментах БКС индуцируются значительные (единицы и десятки вольт) импульсные ЭДС, поступающие на входы блоков бортовой радиоэлектроники. В результате происходит нарушение режимов работы бортовой аппаратуры в виде кратковременных сбоев и отказов, искажений информационных сигналов и сигналов управления. Кроме того, возможны несанкционированные срабатывания бортовых устройств и необратимые катастрофические отказы бортовой аппаратуры.
В нашей стране этим проблемам посвящены работы Е.Д. Пожидаева, Л.Н. Кечиева, В.Ю. Кириллова, А.И. Акишина, Л.С. Новикова, А.П. Тютнева, Г.В. Бабкина, Е.П. Морозова, А.Н. Доронина, Е.В. Никольского, Д.Н. Садовничего, И.А. Смирнова и других. Среди зарубежных специалистов можно отметить С. Фрэнкеля, Э. Вэнса, К. Кейси, Е. Ноулса, Л. Олсона, Г. Отта. Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику защиты бортовой аппаратуры от ЭСР.
Однако существующие в настоящее время методы расчета уровней помеховых сигналов в БКС от ЭСР не обладают достаточной точностью. Специалисты Европейского космического агентства провели расчеты уровней помеховых сигналов в кабельных системах КА на основе структурной электрофизической модели, которая в зарубежной литературе называется методом сосредоточенных элементов. Исходным материалом для расчета служила картина растекания токов по поверхности КА, полученная с помощью программ «STRUKELEC» и «ESACAP». Взаимная индукция фрагмента БКС и участка
корпуса КА была рассчитана с помощью программы «MUTUAL» путем численного интегрирования магнитного потока, наводимого конструкционными токами.
Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными показало, что при расчете уровня помехи для постоянной плотности тока в пластине расчетное значение помехи превышает экспериментальные данные на 3 дБ. В случае учета скин-эффекта расчетный уровень помехи был меньше экспериментально определенного на 15 дБ. Таким образом, существующие расчетные методы не обеспечивают достаточную точность и требуют дальнейшего улучшения.
Здесь следует подчеркнуть следующее. Если расчетный уровень помехи больше, реального, то на разработку и изготовление электронного блока, стойкого к повышенному уровню помех, необходимо затратить больше средств. В том случае, если расчет покажет заниженное значение помехи на входе электронного блока, то изготовленный по такому ТЗ электронный блок не будет обладать достаточной помехоустойчивостью при возникновении ЭСР. Поэтому решение актуальной задачи повышения точности расчетов уровня помех на входах электронных блоков бортовой РЭА КА путем разработки новых методов позволяет повысить стойкость этих блоков к помехам от электростатических разрядов, что, в конечном счете, приводит к увеличению срока активного существования высокоорбитальных КА.
Цель работы
Целью диссертационной работы является повышение точности расчетов уровня помех на входах электронных блоков бортовой РЭА КА путем разработки метода определения коэффициента трансформации тока, протекающего по корпусу космического аппарата от электростатического разряда, в напряжение помехи в БКС.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе последовательно решены следующие задачи:
проведен обзор и анализ опубликованных литературных данных по воздействию электростатических разрядов на кабельную сеть и бортовую РЭА КА, и на этой основе сформулированы основные задачи диссертационной работы;
предложена модель воздействия ЭСР на БКС КА;
на основе предложенной модели разработан метод определения коэффициента трансформации тока, протекающего по корпусу КА от ЭСР, в напряжение помехи в БКС, коммутирующей блоки БРЭА;
разработана методика и алгоритм определения коэффициента трансформации тока, а также проведена их реализация для аттестации штатных кабелей конкретного КА;
разработанные метод и методика определения коэффициента трансформации тока внедрены в производство изделий космической техники на НПО им. С.А. Лавочкина. С их помощью были аттестованы штатные кабели КА «Спектр-Р».
Методы исследования
При решении сформулированных задач использовались методы теоретической электротехники, теория электромагнитного поля, теория электромагнитной совместимости технических средств, методы вычислительной математики и элементы теории стойкости электронной аппаратуры.
Научная новизна
1. Разработан метод определения коэффициента трансформации тока, протекающего
по корпусу КА от ЭСР, в напряжение помехи в БКС, коммутирующей блоки БРЭА,
позволяющий снизить погрешность расчета уровней помеховых сигналов в БКС
КА с (-3.. .+15) дБ до (-3.. .+2,3) дБ. Разработанный метод базируется на:
предложенной модели воздействия ЭСР на БКС КА, показывающей преобладание магнитной составляющей электромагнитного поля в наводке от ЭСР в кабельных системах космических аппаратов;
расчете двумерной картины растекания токов от ЭСР по поверхности плоской проводящей пластины и экспериментальном подтверждении адекватности предложенной модели;
полученной с помощью расчетных данных картине распределения магнитной индукции и напряженности магнитного поля вокруг плоской проводящей пластины.
2. Разработана методика экспериментального определения коэффициента
трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности
космического аппарата, от ЭСР в напряжение наводки во фрагментах БКС,
проложенных по этим элементам, позволяющая пополнять разработанную базу
данных для БКС КА, коммутирующих блоки БРЭА.
3. Разработана база данных коэффициентов трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности КА от ЭСР, в напряжение наводки во фрагментах БКС, вошедшая составной частью в ПО «Satellite-МШМ», которое основано на структурном электрофизическом моделировании и предназначено для расчета наводок в штатных кабелях КА на этапе эскизного проектирования. Это позволило значительно увеличить точность расчетов уровней помех в БКС КА от ЭСР.
Практическая полезность
1. Разработан оригинальный способ определения коэффициента трансформации тока,
протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в
напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, а
также оригинальное устройство для его осуществления. Патенты № 75477 от
10.08.2008 г., № 2378657 от 10.01.2010 г.
Разработаны и реализованы для аттестации штатных кабелей конкретных КА методика и алгоритм определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата от электростатического разряда, в напряжение помехи во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по этим элементам.
Разработана база данных коэффициентов трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по этим элементам. Указанная база данных зарегистрирована в Государственном реестре за № 2009620068 от
03.02.2009 г.
Положения, выносимые на защиту:
Разработанная модель воздействия ЭСР на БКС КА, показывает преобладание магнитной составляющей электромагнитного поля в наводке от ЭСР в кабельных системах космических аппаратов.
Рассчитанная двумерная картина растекания токов от ЭСР по плоской проводящей пластине и экспериментальные измерения величин токов растекания на различных участках поверхности пластины подтверждает адекватность предложенной модели, и составляет основу разработанного метода определения коэффициента трансформации тока.
Разработанный автором оригинальный метод (Патент № 2378657 от 10.01.2010 г.) определения коэффициента трансформации тока, протекающего по корпусу КА от ЭСР, в напряжение помехи в бортовой кабельной сети, коммутирующей блоки БРЭА, позволяет снизить погрешность расчета уровней помеховых сигналов в БКС космических аппаратов с (-3...+15) дБ до (-3... +2,3) дБ.
Разработанные методика и алгоритм определения коэффициента трансформации тока протекающего по элементам внешней поверхности КА, в напряжение наводки во фрагментах БКС, проложенных по этим элементам, позволяют пополнять базу данных (Свидетельство о государственной регистрации № 2009620068 от 03.02.2009 г.) для БКС КА, коммутирующих блоки БРЭА.
Реализация и внедрение основных результатов работы
Научные результаты внедрены в производство изделий космической техники на НПО им. С.А. Лавочкина, а также в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики (технического университета).
Апробация результатов работы
Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на:
XVII, XVIII и XIX Международных совещаниях «Радиационная физика твердого тела», г. Севастополь, в 2007, 2008 и 2009 гг.;
Десятой российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность», г. Санкт-Петербург, в 2008 г.;
Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, г. Москва, в 2007, 2008 и 2009 гг.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в т.ч. 7 тезисов докладов и материалов конференций по итогам научных совещаний, 3 статьи, из них одна в журнале, включенном в перечень ВАК, а также получены 2 патента (один на полезную модель,
один на изобретение). Кроме того, созданная в рамках работы над диссертацией база данных имеет государственную регистрацию.
Структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 120 наименований. Объем работы - 152 стр.
