Методика и средства оценки воздействия электромагнитного поля электростатического разряда на бортовую аппаратуру космических аппаратов Костин Алексей Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1 Обзор, анализ и систематизация результатов исследований в области воздействия электромагнитных полей, вызванных электростатическими разрядами на бортовую аппаратуру космических аппаратов, и методов её защиты 12

1.1 Влияние электромагнитных полей, вызванных электростатическими разрядами, на бортовую аппаратуру космических аппаратов 12

1.2 Конструктивные методы защиты бортовой аппаратуры космических аппаратов от электромагнитных полей, вызванных электростатическими разрядами 18

1.3 Схемотехнические методы защиты аппаратуры космических аппаратов от помех, наведённых в бортовой кабельной сети, электромагнитными полями электростатических разрядов 23

1.4 Выводы 29

2 Разработка методики расчёта характеристик помех и построение модели эмп внутри однородного корпуса БА КА 31

2.1 Разработка методики расчёта характеристик помех 31

2.2 Построение модели ЭМП внутри однородного корпуса БА КА 53

2.3 Выводы 64

3 Защита от помех в БКС и анализ теплового воздействия ЭСР на БА КА 66

3.1 Анализ устройств защиты БА КА от помех, наведённых в БКС при воздействии ЭСР 66

3.2 Разработка метода расчёта мощности, рассеиваемой на корпусе БА КА при прямом ЭСР и анализ теплового воздействия ЭСР на БА КА 73

3.3 Выводы 87

4 Результаты эксперимента з

4.1 Краткое описание установки для измерения помех 89

4.2 Краткое описание конструкции макетов БА КА 93

4.3 Результаты измерения помех в цепях БА КА 103

4.3.1 Результаты измерения помех в макете двухблочного прибора с цилиндрическими соединителями 104

4.3.2 Результаты измерения помех в антеннах макета прибора с прямоугольными соединителями 115

4.4 Исследование экранирующих свойств наиболее распространённых конструктивных методов защиты Б А КА от ЭМП, вызванного ЭСР 120

4.4.1 Исследование экранирующих свойств металлизированных крышек для незадействованных соединителей 125

4.4.2 Исследование эффективности экранирования корпуса БА КА 131

4.4.3 Использование электропроводящих тканей для экранирования БА КА 133

4.5 Выводы 137

5 Обоснование алгоритмов разработки мер комплексной защиты БА КА от ЭСР 139

5.1 Обоснование алгоритма разработки мер комплексной конструктивной защиты БА КА от ЭСР 139

5.2 Обоснование алгоритма разработки мер комплексной защиты Б А КА от помех в БКС, вызванных ЭСР 155

5.3 Разработка рекомендаций по защите БА КА от ЭСР 159

5.4 Выводы 164

Основные результаты и выводы 165

Список сокращений и условных обозначений 167

Список использованных источников

• Конструктивные методы защиты бортовой аппаратуры космических аппаратов от электромагнитных полей, вызванных электростатическими разрядами
• Построение модели ЭМП внутри однородного корпуса БА КА
• Разработка метода расчёта мощности, рассеиваемой на корпусе БА КА при прямом ЭСР и анализ теплового воздействия ЭСР на БА КА
• Результаты измерения помех в антеннах макета прибора с прямоугольными соединителями

Введение к работе

Актуальность работы. Космическая техника развивается в сторону увеличения срока активного существования, расширения функциональных возможностей, снижения габаритов и массы. Такая тенденция привела к необходимости применения полупроводниковых приборов с высоким быстродействием. В отличие от электромагнитных реле, программных механизмов и полупроводниковых приборов с низких быстродействием они более чувствительны к помехам, вызванным различными явлениями (как природными, так и антропогенного характера). Одним из таких явлений природы является электризация космического аппарата (КА).

Процессы электризации (как внешней, так и внутренней) КА можно классифицировать по способу поражения как самих электронных блоков, так и элементов электронных схем:

1. разряды на поверхности КА, создающие импульсные помехи в бортовой кабельной сети (БКС), антеннах и датчиках, расположенных на внешней поверхности КА. Эти помехи поступают на входы электронных блоков и приводят к обратимым и необратимым отказам в работе электроники;

2. разряды непосредственно в кабели, соединяющие между собой электронные блоки, антенны, датчики и панели солнечных батарей;

3. разряды в проводники печатных плат блоков электроники (выводы интегральных схем, транзисторов, диодов и др.);

4. разряды непосредственно в кристаллы полупроводниковых элементов из диэлектрических корпусов этих элементов.

Особую роль при этом играют процессы электризации поверхности КА, что вызывает электростатические разряды на поверхности блоков и кабельных систем. Электростатические разряды (ЭСР), возникающие вследствие дифференциальной зарядки КА, являются источниками электромагнитных помех, воздействующих на отдельные элементы и устройства и как следствие на бортовые системы в целом.

По данным, приведённым в некоторых научных работах, разности потенциалов на поверхностях КА могут достигать 20 кВ, а средние значения энергии ЭСР составляют от 6 до 200 мДж. В результате ЭСР по корпусу КА протекают импульсные токи амплитудой до 100 А. Они наводят помехи в элементах кабельных систем бортовой аппаратуры (БА). Эти помехи будут воздействовать совместно с полезным сигналом на функциональные узлы БА и могут вызвать их отказы как обратимые (сбои, электрический пробой), так и необратимые (тепловой пробой).

Проблеме электризации космических аппаратов, возникновению ЭСР и их воздействия на электронную аппаратуру, как наземного, так и бортового базирования посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых. В нашей стране этим проблемам посвящены работы ученых: Бабкина Г.В., Саенко B.C., Пожидаева Е.Д., Кечиева Л.Н., Морозова Е.П., Кириллова В.Ю., Акишина А.П., Новикова Л.С, Тютнева А.П., Соколова А.Б., Тамбовцева В.И. и др., а среди зарубежных специалистов - работы Фредериксон А., Боде М., Грин Н., Бокслейтера В., Барнса Дж., Уайта Дж., Отта Г.. В области теории и практики обеспечения стойкости электронных средств к внешним электромагнитным воздействиям большой вклад внесли отечественные ученые: Балюк Н.В., Кириллов В.Ю., Мырова Л.О., Комягин СИ., Никулин С.А. и др.

Таким образом, несмотря на принимаемые меры ЭСР возникают. Кроме того, возможны ЭСР между корпусом КА и окружающей плазмой.

Если проблема, связанная с обеспечением стойкости БА КА к воздействию ЭСР не будет решена, то возможный ущерб от потери спутников по этой причине может многократно превосходить их стоимость. Поэтому вся БА проходит испытания на устойчивость к воздействию факторов ЭСР на этапе наземной отработки. Однако, отрицательный результат испытаний может потребовать доработок БА или даже всего КА, а это дополнительные затраты средств и времени. Последнее даже более критично, ведь это может задержать вывод КА на орбиту и сдачу в эксплуатацию.

Научно-обоснованные меры, принятые на этапе концептуальной и технической проработки КА и БА, экономически целесообразнее, чем их доработка на этапе испытаний. В связи с этим существует необходимость в проведении исследований воздействия факторов ЭСР на современную БА КА.

Таким образом, решение научно-технической проблемы оценки воздействия электромагнитного поля ЭСР на БА КА является актуальной.

Цель работы. Целью работы является повышение надёжности БА КА за счёт уменьшения влияния электромагнитных полей (ЭМП), вызванных ЭСР.

Объект исследования. Объектом исследования являются радиоэлектронные узлы и блоки КА с длительным сроком активного существования.

Предмет исследования. Предметом исследования являются методы, методики, модели и средства защиты БА КА от ЭМП ЭСР.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теоретической электротехники и электродинамики, теория электрического разряда, дифференциальное и интегральное исчисление, векторный анализ, теория электромагнитного экранирования, конечно-элементный анализ, эмпирические исследования.

Решаемые задачи. В работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ влияния ЭМП ЭСР на БА КА и моделирование схемотехнических методов защиты.

2. Построение математической модели ЭМП внутри однородного корпуса БА КА в условиях воздействия ЭСР.

3. Разработка метода расчёта мощности, рассеиваемой на корпусе БА КА при прямом ЭСР.

4. Экспериментальное исследование влияния ЭМП ЭСР на БА КА и разработка методов расчёта характеристик импульса помехи.

5. Обоснование алгоритма разработки мер комплексной конструктивной защиты Б А КА от факторов ЭСР.

Научная новизна

1. Разработана методика расчёта характеристик импульса помехи, учитывающая сопротивление, вносимое из цепи разряда, и обеспечивающая оценку влияния нагрузки цепей БА КА на амплитуду и форму импульса помехи, а также степень опасности помех для функциональных узлов.

2. Предложен метод расчёта мощности, рассеиваемой на корпусе Б А КА при прямом ЭСР, учитывающий сопротивление корпуса БА КА между точкой приложения ЭСР и точкой металлизации и позволяющий определить степень повышения температуры корпуса.

3. Построена математическая модель ЭМП внутри однородного корпуса БА КА в условиях воздействия ЭСР, которая справедлива для квазистационарного поля и позволяет повысить точность расчётов.

4. Предложен алгоритм разработки мер комплексной конструктивной защиты Б А КА от факторов ЭСР, учитывающий наличие внутренней и внешней

электризации, степень опасности помех и обеспечивающий более достоверные результаты конструирования. 5. Получены новые результаты измерения уровней помех в цепях БА КА, вызванных ЭМП ЭСР, на основе разработанной методики, что позволило выработать научно-обоснованные рекомендации по применению различных методов защиты БА.

Теоретическая значимость работы состоит в развитии теории электромагнитной совместимости в части воздействия ЭСР на БА КА. Практическая значимость

5. Разработанная методика расчёта характеристик импульса помехи позволяет перейти к более достоверным проектным нормам реализации БА, оптимизировать её конструкцию в части устойчивости к ЭМП ЭСР без ухудшения массогабаритных параметров.

6. Предложенные варианты макетов аппаратуры, средств её защиты, методики расчёта позволили реализовать и внедрить новую методику экспериментальных исследований влияния ЭМП ЭСР на БА.

7. Реализованная методика исследования позволила проверить и оценить эффективность наиболее распространённых конструктивных методов защиты БАКА.

8. Проведённое моделирование схемотехнических методов защиты Б А от помех позволило сформулировать рекомендации по их применению в БКС конкретных КА.

Основные положения, выносимые на защиту

9. Методика расчёта характеристик импульса помехи и метод расчёта мощности, рассеиваемой на корпусе БА КА при прямом ЭСР.

10. Математическая модель ЭМП внутри однородного корпуса Б А КА в условиях воздействия ЭСР и результаты моделирования схемотехнических методов защиты.

11. Результаты экспериментальных исследований влияния ЭМП ЭСР на БА КА и средства её защиты.

12. Алгоритм разработки мер комплексной конструктивной защиты БА КА от факторов ЭСР.

Достоверность результатов. Степень достоверности полученных результатов определялась использованием известных положений фундаментальных наук, обоснованностью допущений, теоретических положений и моделей, путем сравнения расчетных результатов с экспериментальными данными и данными других авторов.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные метод, методики, алгоритмы, математическая модель, результаты моделирования и рекомендации внедрены в производство космической техники в АО «РКЦ «Прогресс» и в учебный процесс в ФГАОУ ВО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева». С их помощью были сформированы конструктивные требования по повышению стойкости БА КА к ЭМП, вызванным ЭСР.

Личный вклад автора. Основные результаты, включенные в диссертацию, получены лично автором. Обсуждение и анализ теоретических и экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем. Результаты других авторов, которые использовались при изложении, содержат ссылки на соответствующие источники.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, ИРЭ РАН, 2011).

Международной молодёжной конференции «Королёвские чтения» (Самара, 2011,2013);

Международной научной конференции «Решетнёвские чтения» (Красноярск, 2011,2013);

Всероссийской НТК «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015);

Международной научно-практической конференции «Тенденции и инновации современной науки» (Краснодар, 2012);

Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: роль в развитии в современном обществе» (Краснодар, 2013);

Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011» (Одесса, 2011);

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 27 научных работах, из них 6 статей опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 137 наименований. Текст диссертации изложен на 183 страницах и содержит 15 таблиц и 69 рисунков.

Конструктивные методы защиты бортовой аппаратуры космических аппаратов от электромагнитных полей, вызванных электростатическими разрядами

Первые результаты изучения воздействия космического излучения были отражены в публикации [7]. Обобщённые итоги первого этапа изучения космического излучения на элементы КА подведены в докладе А.И. Акишина [8]. Одной из первых публикаций, посвященных ЭСР в объёме некристаллических диэлектриков, была статья сотрудников Томского политехнического университета. В 1976 году был предложен критерий оценки плотности потока заряженных частиц, при которой возможна потеря электрической прочности среды в следствие её радиационной электризации [9]. По расчётам В.А. Стародубцева, для многих диэлектриков значение критической плотности лежит в интервале от 0,1 до 1 HA/CMZ [10].

Начало 80-х годов ознаменовалось использованием спутников на геостационарных орбитах. В связи с этим обнаружились новые типы отказов и сбоев в работе электронной БА КА. Это потребовало более интенсивного исследования воздействия космического излучения на КА. Были разработаны новые методы исследования и создана физико-математическая модель электризации КА. Руководили этими работами Л.С. Новиков, В.Н. Милеев. Существенное развитие получили методы имитации воздействия космического излучения в экспериментальных условиях. Результаты работы по совершенствованию методов изучения и соответствующей аппаратуры обобщены в работах [11-13]. Электризация диэлектриков может также вызываться электронами радиационного пояса земли с энергиями от 1 до 10 МэВ. Эти электроны проникают внутрь диэлектриков и вызывают объёмную электризацию КА. В отличие от поверхностной электризации, при которой глубина проникновения электронов составляет от 10 до 20 мкм, глубина проникновения электронов при объёмной электризации составляет до 10 мм.

Исследования электризации КА впоследствии стали проводиться в других исследовательских организациях и учреждениях. Одно из таких учреждений -МИЭМ, ныне входит в состав НИУ «Высшая школа экономики». Одним из весьма полезных коллективных трудов является руководство для конструкторов [14]. В части обеспечения стойкости Б А КА к воздействию ЭСР чрезвычайно полезной является работа [2], также выполненная в МИЭМ. В ней рассмотрены вопросы электризации КА, влияние ЭСР на БА и БКС, механизмы возникновения помех, расчёты эффективности экранирования неоднородных экранов и ряд других вопросов. Много работ, проведённых в МИЭМ, посвящено вопросам расчёта помех в БКС и защите последних, определению картины растекания токов по поверхности КА при возникновении ЭСР [15-20].

Кроме МИЭМ вопросами электризации КА и воздействия ЭСР на БКС занимались и в МАИ [21-23]. Говоря о работах МАИ невозможно не упомянуть работы Кириллова В.Ю., результаты которых подробно описаны в [24]. Цель работы заключается в разработке теоретических и экспериментальных методов и технических средств для исследований и испытаний электромагнитной совместимости элементов и устройств бортовых систем при воздействии электростатических разрядов, практическое применение которых позволит повышать помехоустойчивость и помехозащищенность космических аппаратов, подверженных электризации, и увеличить ресурс их эксплуатации. Вопросам испытаний БА КА на предмет устойчивости к ЭСР посвящен целый ряд работ, таких как [25, 26, 27]. На сегодняшний день вопросы электризации КА и воздействия ЭСР на БКС и БА стоит настолько остро, что этой проблемой вынуждены заниматься практически все предприятия ракетно-космической отрасли. Не являются и исключением вузы, которые занимаются ракетно-космической тематикой. Однако, сегодня в нашей стране работ по подробному экспериментально-теоретическому изучению воздействия ЭМП, вызванного ЭСР, на БА КА нет. Между тем, результаты этих исследований были бы весьма полезны разработчикам БА КА. Настоящая работа посвящена именно воздействию ЭМП на БА КА, в том числе и через БКС.

Начало полномасштабных исследований проблемы внутренней и внешней электризации КА за рубежом было положено в конце семидесятых в начале восьмидесятых годов XX века в США. Одним из первых, скорее всего он и есть первый, кому принадлежит публикация в области воздействия радиационного излучения на диэлектрики, является А. Фредериксон. Эта работа была опубликована в 1974 году [28]. А. Фредериксон продолжил работы над проблемой воздействия различных видов излучения на диэлектрики. В 1983 году он публикует статью [29]. Наиболее значимым исследованием А. Фредериксона было изучение проблемы спонтанного разряда различных диэлектриков под воздействием космической радиации. Над этой проблемой он работал не один. Результаты этих исследований получили отражение в коллективном труде [30] и итоговой статье [31]. Последняя работа представляет наибольший интерес, так как там представлены данные об электризации и возникновении ЭСР в 16-ти образцах материалов, используемых в космической промышленности, таких как текстолит, стеклотекстолит, тефлон и другие. Работа основывались на результатах натурных экспериментов на специальном КА CRRES [32]. На этом спутнике была размещена специальная аппаратура, которая обеспечивала фиксацию внутренних разрядов (Internal Discharge Monitor). Реальными объектами испытаний были уменьшенные копии кабелей и электронных плат различной формы. Образцы материалов были подвержены воздействию излучений радиационных поясов Земли в течение четырнадцати месяцев. На всех шестнадцати образцах были зарегистрированы ЭСР. На борту КА CRRES имелись также спектрометры.

Из результатов измерений на КА CRRES можно сделать вывод, что количество ЭСР зависит от размеров и формы образцов материалов. Практически неподверженными электризации оказались металлизированные диэлектрики. ЭСР в них практически не возникали. Стеклотекстолит, напротив, с точки зрения электризации показал себя с худшей стороны. ЭСР в нём возникало достаточно много. Это печальная статистика, учитывая то, что стеклотекстолит является атрибутом практически всей БА КА. В работах А. Фредериксона приводится значение минимальной плотности потока электронов, при которой возможны ЭСР в изоляционных материалах. Это значение составляет 5 нА/см .

Другим известным учёным, занимавшимся исследованиями вопросов электризации КА, был М. Бо де [33]. Для выяснения более надёжной работы аппаратуры были собраны данные об электризации материалов, используемых в КА. В процессе анализа данных выяснилось, что ключевым параметром, определяющим накопление заряда, является удельное объёмное сопротивление. Н. Грин и его коллеги измерили исходное удельное электрическое сопротивление материалов и отметили, что эта величина может изменяться при эксплуатации материалов в космосе.

Исследования электризации материалов КА продолжались в США примерно в том же направлении. Ставились новые эксперименты, увеличивались периоды времени, в течение которых облучались материалы. В конечном итоге результаты исследований были обобщены в специальном руководстве [4]. В настоящей работе ссылка дана на руководство 2011 года, хотя первая его версия появилась в 1999 году.

Как в нашей стране, так и за рубежом имеется множество работ в части защиты БА и БКС КА от ЭСР, разработаны стандарты, в которых описаны методики испытаний (по последнему вопросу у них, пожалуй, дело обстоит лучше чем у нас). Однако, работ по подробному экспериментально-теоретическому изучению воздействия ЭМП, вызванного ЭСР, на БА КА за рубежом также нет. Возможно, предприятия-разработчики космической техники подобные эксперименты и проводили, но информация о них в открытой печати к сожалению отсутствует.

Нельзя не отметить работы, не связанные непосредственно с вопросами защиты от ЭСР, но создающие научную базу для решения этой проблемы. Это работы по электродинамике и теории электромагнитного поля. В частности, следует отметить работы Никулина СМ., Неганова В.А., Осипова О.В., Антипова О.И. и др. Так, например, методы и представления, использованные в работах [34-36] могут быть применены для расчёта поля в ближней зоне поверхности, по которой текут токи, образованные ЭСР.

Построение модели ЭМП внутри однородного корпуса БА КА

Внутри корпусов имеются ЭРИ. Кроме того, БА КА, как правило, состоит из блоков, которые могут быть разделены металлическими перегородками. Всё это может затруднять расчёт поля внутри экранов. Некоторым вопросам влияния перегородок на напряжённость поля внутри однородного экрана посвящена работа [76]. Приведённые выше методики позволяют достаточно точно определять поле внутри экранов в условиях воздействия внешнего электромагнитного поля, но не подходят для определения поля в условиях прямого разряда.

Модели ЭМП внутри однородных экранов в условиях воздействия прямого ЭСР развиты слабо. Для построения модели будем рассчитывать картину растекания тока по поверхности корпуса от точки приложения ЭСР до точки металлизации БА КА. Затем будем определять ток, текущий по внутренней поверхности корпуса. Поле в металлах быстро затухает, но проникает внутрь корпуса.

Для получения картины растекания токов по корпусу БА от ЭСР целесообразно использовать модель сосредоточенных элементов. Суть модели заключается в том, что составляются эскизные чертежи мозаики внешней поверхности корпуса БА [77, 78]. При необходимости проводится кусочно-линейная аппроксимация реальных поверхностей корпусов БА сложной формы. Затем корпус разбивается на элементарные геометрические фигуры. Такая методика используется для определения картины растекания тока по поверхности КА [15, 20, 79].

Набор элементарных фигур преобразуется в поверхностную сетку-совокупность связанных узлов. При этом каждая связь (ветвь) представляется в виде элементов электрической цепи, номиналы которой рассчитываются с учетом геометрии данного элемента и его материала, образующих в целом эквивалентную электрическую схему поверхности БА. Таким способом проводится синтез структурной электрофизической модели. Для наглядности на рисунке 2.23 приведен пример преобразования простой геометрической модели поверхности БА КА в эквивалентную электрическую схему.

Значения токов, текущих по корпусу, рассчитываются методом теории цепей. При определении номиналов эквивалентных сопротивлений схемы необходимо помнить, что переменные токи текут по поверхности электропроводящих материалов. Чем ниже частота, тем больше глубина проникновения. Другими словами, не только реактивное, но и активное сопротивление будет зависеть от частоты. Поскольку спектр ЭСР достаточно широк, то пренебрегать этим нельзя..

Число разбиений по каждому элементу определяется исходя из требуемой точности вычислений. Однако, следует иметь в виду, что при увеличении степени дискретизации резко возрастает количество электрических элементов в эквивалентной электрической схеме, представляющей всю поверхность корпуса. Это может значительно увеличить время расчета токов. В случае необходимости можно увеличить степень дискретизации исследуемого участка поверхности. Для этого каждый элемент разбивается дополнительно на определённое количество элементов.

Что касается ёмкостей, включенных между узлами и корпусом КА, то их можно учитывать только в местах, максимально близких с корпусом КА или шиной металлизации. Обкладками конденсаторов являются фрагменты корпуса БА и фрагменты корпуса КА. Чем больше расстояние между ними, тем меньше ёмкость. Определёнными значениями этой ёмкости можно пренебречь.

ЭСР представляется в виде импульсного источника тока, один электрод которого подключается к КА. Другой электрод подключается к точке на поверхности БА, в которую ударяет гипотетический разряд [78].

При ЭСР в часть корпуса БА, представляющего систему, состоящую из второго и остальных элементов конструкции КА вносятся дополнительные носители электрического заряда. Имеется ввиду то, что БА металлизирована с элементами конструкции КА, поэтому рассматривается как система. Эти носители должны распределиться по поверхности проводника [63]. Часть носителей придётся на поверхность корпуса БА. Поэтому, ток через клемму металлизации будет меньше, чем ток дуги ЭСР, а предложенная выше модель не будет точной. Однако, площадь поверхности рассматриваемой БА чаще всего меньше, чем площадь поверхностей остальных элементов конструкции и предложенная модель даст достаточную точность.

После этого определяется картина растекания токов на внутренней поверхности корпуса БА КА. По этой картине определяется поле внутри корпуса БА. Для этого целесообразно использовать закон Био-Савара-Лапласа, который уже использовался ранее и справедлив для квазистационарного магнитного поля. Учитывая размеры БА КА и максимальную длину волны в спектре импульса ЭСР, можно сказать, что условие квазистационарности выполняется.

Таким образом, в ходе теоретических исследований были получены следующие результаты: Разработана методика расчёта характеристик импульса помехи, учитывающая сопротивление, вносимое из цепи разряда, и обеспечивающая оценку влияния нагрузки цепей БА КА на амплитуду и форму импульса помехи, а также степень опасности помех для функциональных узлов. - Построена математическая модель ЭМП внутри однородного корпуса БА КА в условиях воздействия ЭСР, которая справедлива для квазистационарного поля и позволяет повысить точность расчётов.

Теоретический анализ БА КА показывал, что эффективность экранирования корпуса будет невысокой, не только ввиду того, что он не является магнитным экраном, но и ввиду наличии неоднородностеи в виде щелей между сопрягаемыми поверхностями деталей корпуса (блоков, крышек, основания). Щели образуются из-за наличия больших допусков на размеры и форму деталей, даже если щели не предусмотрены конструкцией. Помехи же в цепях БА КА представляют весьма сложные затухающие колебательные процессы. Амплитуда этих радиоимпульсов может достигать опасных значений для ЭРИ БА КА.

Разработка метода расчёта мощности, рассеиваемой на корпусе БА КА при прямом ЭСР и анализ теплового воздействия ЭСР на БА КА

Зависимость этого сопротивления от частоты записать очень сложно, однако можно предположить, что она будет незначительной. Такой вывод позволил сделать тот факт, что в поверхностных контактах контактирование происходит не по всей поверхности, а в отдельных областях. Фактически - это выступы, обусловленные неровностью поверхностей контактируемых деталей (допуски, отклонения от заданной формы и шероховатость). Совокупность этих областей можно представить как многопроволочный провод. Как известно, увеличение сопротивления из-за поверхностного эффекта в таком проводнике проявляется меньше [92]. Однако, реальную зависимость построить для конкретного случая практически невозможно, так как неровность контактируемых поверхностей носит вероятностный характер. Тем не менее, будем считать, что сопротивление контактов не зависит от частоты.

По такой же методике находим мощность, рассеиваемую на контакте металлизации. Она составляет 72,4 мкВт для перехода 200 мкОм, 724 мкВт- для цепи металлизации с сопротивлением 2 мОм и 1,086 мВт- для цепи металлизации с сопротивлением 3 мОм.

В реальной БА имеется масса неоднородностей и резьбовых соединений. На резьбовых соединениях конечно будет рассеиваться большая мощность, но как показано выше даже эта величина незначительна. Можно показать, что суммарное сопротивление всех контактов в сборном корпусе будет больше сопротивления самого корпуса. Допустим, что имеется прибор со съёмной крышкой и корпусом в виде рамки , который металлизирован таким образом, что сопротивление между корпусом БА и конструкцией КА равно 2 мОм. Предположим, что сопротивление между крышкой и корпусом БА составляет около 200 мкОм (примерно такое значение получается на практике при измерениях на реальной БА). Имеет место ЭСР в крышку. Тогда ток будет течь через крышку, точки контакта крышки с корпусом и через цепь металлизации на корпус КА. Активное сопротивление цепи тока будет составлять около 2200 мкОм без учёта сопротивления крышки и рамки, на которых мощность, как показано выше будет рассеиваться значительно меньше. На сопротивлении 2200 мкОм будет рассеиваться мощность 796,4 мкВт. Поскольку не учитывалось сопротивление корпуса, то увеличим значение мощности на некоторую величину. Как было показано выше, на монолитном корпусе БА КА рассеивается мощность около 54,38 мкВт. Возьмём значения заведомо значительно больше (больше - значит худший режим для БА КА) и округлим рассеиваемую мощность до 1 мВт.

Теперь проведём простейшую оценку перегрева основания БА относительно поверхности установки на КА (разница температур между основанием БА и поверхностью КА) с площадью основания, равной площади макета прибора с прямоугольными соединителями. Оценку будем производить при трёх условиях: - БА установлена непосредственно на поверхность КА и отвод тепла осуществляется посредством кондукции; - БА установлена на расстоянии 10 мм от поверхности КА, теплопередача осуществляется посредством излучения с основания БА на поверхность КА, обе покрыты терморегулирующим покрытием; - БА установлена на расстоянии 10 мм от поверхности КА, теплопередача осуществляется посредством излучения с основания БА на поверхность КА, обе не покрыты терморегулирующим покрытием.

Тепловое сопротивление двух соприкасающихся поверхностей можно найти по формуле где рт - удельная тепловое сопротивление, SOCH - площадь поверхности основания, через которую осуществляется отвод тепла. Будем считать, что через лапы, которыми БА, как правило, крепится к конструкции КА, отвод тепла не осуществляется. Тогда значение площади поверхности основания, через которую осуществляется отвод тепла, будет составлять 0,028 м . В [93] приводится значение для удельного теплового сопротивления для двух поверхностей из сплава Діб при шероховатости Rz20 и удельной нагрузке 100 кг/см . Такая нагрузка является наиболее вероятной для резьбовых соединений в радиоэлектронной аппаратуры [93]. Значение удельного теплового сопротивления, для указанного выше соединения материалов, будет равно 1,2 см К/Вт. Для двух поверхностей из сплава АМгб удельное тепловое сопротивление не будет существенно отличаться от Діб, основным компонентом обоих сплавов является алюминий. Найденные значения подставим в (3.18) и получим значение теплового сопротивления, равное 42,86-10" К/Вт.

Значение перегрева определим из формулы AT = RTPT -42,86-10 4 -1(Г3 =42,86-1(Г7К, (3.19) где Pf— мощность, рассеиваемая на корпусе БА КА при воздействии ЭСР (1 мВт). Полученное значение перегрева настолько мало, что можно считать, что его вообще нет.

Рассмотрим БА, установленную на расстоянии 10 мм от поверхности КА, теплопередача осуществляется посредством излучения с основания БА. Такой способ установки возможен, когда БА невозможно установить непосредственно на поверхность КА, например при использовании виброизоляторов. Считаем, что поверхность КА на месте установки БА (под основанием) покрыто тем же покрытием. Температура поверхности КА, над которой установлена БА, составляет 50 С или 323 К. Это максимальное типовое значение для БА КА общего назначения.

Сделаем два допущения. Во-первых, считаем, что площадь поверхности на которую устанавливается БА намного больше SOCH. Во-вторых, считаем, что расстояние между поверхностями БА (излучающей) и поверхностью КА (поглощающей) много меньше размеров основания. Первое практически всегда выполняется, так как площади поверхностей панелей КА больше площадей оснований БА. Второе выполняется для рассматриваемого случая, да и на практике тоже, за редкими исключениями. В таком случае справедлива формула [93] Рт=епС, - S0CH, (3.20) где Тосн - температура поверхности основания БА, через которое осуществляется отвод тепла; ТКА - температура поверхности КА, на которую осуществляется отвод тепла; Со=5,67 Вт/м -К - коэффициент излучения чёрного тела; еп -приведённая степень черноты тел, между которыми происходит теплообмен, находится по формуле где єосн - степень черноты поверхности основания БА, через которое осуществляется отвод тепла; ERA - степень черноты поверхности КА, на которую осуществляется отвод тепла. Типовое значение степени черноты терморегулирующих покрытий составляет 0,92. Для непокрытых поверхностей из сплава Діб значение степеней черноты составляет 0,37 для температуры около 50 С. Следует отметить, что формулы (3.20, 3.21) справедливы для плоскопараллельных поверхностей. Это условие также в большинстве случаев выполняется.

Определим значения приведённых степеней черноты тел, покрытых терморегулирующим покрытием и непокрытых сплавов Діб, по формуле (3.21). Для первого случая еи=0,85, для второго случая еи=0,23. Выразим из (3.20) температуру поверхности основания БА, через которое осуществляется отвод тепла

Результаты измерения помех в антеннах макета прибора с прямоугольными соединителями

Макет, представленный на рисунке 4.7, состоит из двух блоков в виде рамки, основания и верхней крышки. Примерно посередине рамки располагается пластина (см. рисунок 4.7), на которой в реальных приборах устанавливаются печатные платы, ЭРИ и жгуты. Пластина является единым целым с рамкой. В макете на эту пластину уложены провода, при помощи которых имитировались цепи БА КА. На неё также были установлены имитаторы заполнения прибора, макеты ЭРИ и плат, а также коммутатор (назначение которого приведено ниже). Пластина не является сплошной и имеет множество отверстий различной формы и размеров. Рамка, крышка и основание были изготовлены из сплава АМгб. На рамках с внешней стороны имелись выборки глубиной 1,5 мм.

Провода внутри макета представляют собой приёмники помех или антенны. Ранее было показано, что цепи БА КА являются токовыми контурами. По этой причине большинство антенн являются рамочными или магнитными. Внутри БА КА могут находиться отдельные провода или печатные проводники, которые одним концом подключены к функциональным узлам, а другим, не подключены никуда. Примером таких проводов или печатных проводников могут служить цепи для наземного контроля. Такие антенны будут являться электрическими (приёмники электрического поля). В них также будет наводиться ЭДС [63] где / - длина вибратора, Ё - вектор напряжённости электрического поля, dl -элементарный отрезок длины вибратора. Для имитации этого случая в макетах приборов с цилиндрическими соединителями имеются электрические антенны. Поскольку такие случаи более редки, то этих антенн меньше, три из двенадцати.

В таблице 4.1 представлены конфигурации антенн блоков макетов приборов с цилиндрическими соединителями. Как уже упоминалось, всего антенн двенадцать. Такая различная конфигурация антенн позволяет изучить поле внутри макета и проанализировать влияние размеров антенн на напряжение помех. На рисунке 4.7 показано расположение ручьёв жгута, в который собраны провода антенн блока 2. Именно этот блок должен использоваться для макета одноблочного прибора с цилиндрическими соединителями. Расположение ручьёв жгута, в который собраны провода антенн блока 1- аналогичное, но размеры несколько отличаются. Они приведены на рисунке 4.9. Неуказанные радиусы гибки проводов составляют 3...15 мм для обоих блоков.

Для подключения перемычки металлизации на основании макета имеется специальная клемма. Блоки металлизировались с основанием специальной шиной, изготовленной из пластины сплава АМгб.

Необходимо отметить, что кроме шины металлизации имела место металлизация блоков непосредственным контактом. Если контактирующие поверхности шины защищаются клеем на реальной БА КА, то места непосредственного контакта блоков не защищены. Следовательно, сопротивление этих мест контактов будет расти со временем вследствие окисления и попадания грязи (имеется ввиду на земле, при хранении и сборке КА). Поэтому сопротивление металлизации этих точек будет расти со временем. Предполагается крепление макета к пластине через виброизоляторы. Такой метод установки часто применяется для защиты БА КА от механических воздействий. Часто виброизоляторы изготавливаются из металлов и являются проводниками для электрического тока. В макете применены именно такие виброизоляторы. Можно сказать, что макет металлизирован дополнительно через них. (A

Антенны подключаются к высокочастотному соединителю со значением волнового сопротивления 50 Ом через коммутатор, каждая по отдельности. Коммутатор выполнен на электромагнитных реле. Им управлял оператор, производивший измерения, через пульт, который подключался к макету. Коммутатор реализован на печатной плате. На той же плате расположены резисторы, имитирующие нагрузки антенн. Количество резисторов равно количеству антенн. Номинальное сопротивление резисторов 51 Ом. Резисторы подключаются при подаче команды на включение нагрузки с пульта. Резисторы подключаются все одновременно.

На панели, противоположной панели с соединителями для подключения пульта и осциллографа, имеются незадействованные соединители. Эти соединители имеют цилиндрическую форму. И представляют собой две вилки РС50АТВ [98] и две розетки 2РМ27БПН24Г1А1 [99]. Целью этих соединителей является имитация неоднородностей в корпусах БА КА. То есть неоднородностей в виде незадействованных соединителей. Иногда БА имеет соединители, которые используются для контрольных проверок при наземных испытаниях, а в полёте они не используются и закрываются крышками. Незадействованные соединители не подключены внутри макета.

Для создания более сложной электромагнитной обстановки внутри корпуса, более приближенной к реальной, в блоках установлены имитаторы ЭРИ. Они не создают ЭМП, но искажают созданное ЭСР, поскольку содержат металлические детали. Некоторые детали изготовлены из ферромагнитных материалов.

Для антенн использовался многопроволочный медный провод. Количество проволок в жиле равно семи. Значение диаметра проволок 0,18 мм. Изоляция провода полихлорвиниловая.

Макет, представленный на рисунке 4.8, состоит из одного блока в виде рамки (он же являлся основанием), закрытого сверху и снизу крышками. Примерно посередине рамки находится пластина (см. рисунок 4.8), на которой в реальных приборах располагаются печатные платы, электрорадиоизделия (ЭРИ) и жгуты. Пластина является единым целым с рамкой. В макете на эту пластину уложены две петли из проводов. Одна петля является двухпроводной линией, замкнутой на конце, вторая - фрагментом одиночного провода, уложенного в форме рамки (см. рисунок 4.8). Этим антеннам были присвоены номера 1 и 2 соответственно. Обе петли представляют собой рамочные антенны. Корпус макета (рамка и крышки) был изготовлен из сплава АМгб.

Рамочные антенны подключены к высокочастотным соединителям (каждая к своему) со значением волнового сопротивления 50 Ом. Через эти соединители к антеннам подключался цифровой осциллограф. Для подключения перемычки металлизации на лапе макета имеется специальная клемма. Предполагается крепление макета к пластине через виброизоляторы. Виброизоляторы не такие как в макетах, которые были описаны ранее, но они также являются проводниками для электрического тока. Можно сказать, что макет металлизирован дополнительно через них. Места контакта виброизолятора с пластиной, как и в предыдущем случае, не защищены.

На макете установлены три незадействованных соединителя. Эти соединители имеют прямоугольную форму. И представляют собой вилки СНП339-76РП11 [100]. Целью этих соединителей является имитация неоднородно стей в корпусах БА КА. То есть неоднородно стей в виде незадействованных соединителей. Незадействованные соединители не подключены внутри макета. Соединители установлены таким образом, что их можно демонтировать не разбирая прибора. Имитаторов ЭРИ внутри макета нет.

Для антенн использовался многопроволочный медный провод. Количество проволок в жиле равно семи. Значение диаметра проволок 0,08 мм. Изоляция провода полихлорвиниловая. Необходимо отметить, что электропроводящий корпус космических аппаратов чаще всего изолируется от электрических цепей, в отличие от автомобилей, в которых он является общим проводом. Поэтому все цепи макетов изолированы от корпуса.