Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы воздействия на бортовую радиоэлектронную аппаратуру электростатических разрядов, возникающих на поверхности космических аппаратов при ее электризации 14
1.1. Проблема электризации космических аппаратов 17
1.2. Анализ типов разрядов, условий и параметров заряжения поверхности КА 20
1.3. Исследование электризации путем лабораторного моделирования 27
1.4. Анализ методик регистрации ЭСР 39
1.5. Особенности ЭСР при радиационном заряжении 44
1.6. Воздействие электростатических разрядов на бортовую радиоэлектронную аппаратуру 48
1.6.1. Модель электростатического разряда и параметры помеховых полей48
1.6.2. Механизм помехообразования 54
1.6.3. Воздействие электростатических разрядов на кабельные сети 57
1.6.4. Помехи в блоке электроники, вызывающие сбои в работе или выгорание отдельных элементов 62
1.7. Определение цели и постановка задач работы 65
2. Анализ физических процессов электризации на внешней поверхности КА 68
2.1. Анализ радиационной электропроводности полимеров 68
2.1.1. Общая физическая картина 68
2.1.2. Прогнозирование радиационной электропроводности 70
2.2. Анализ внутренних и внешних полей в облучаемых полимерах 77
2.2.1. Классификация методов расчета 77
2.2.2. Равномерная высокоэнергетическая инжекция 79
2.2.3. Облучение полимера со стороны открытой поверхности 81
2.2.4. Расчет полей в ЭВТИ КА
2.2.5. Роль термоциклирования в снижении эффектов электризации внешних диэлектрических покрытий К А 85
2.3. Наихудший случай заряжения ЭВТИ КА и принцип минимальной радиационной электропроводности 91
3. Разработка структурной электрофизической модели растекания токов по корпусу КА при воздействии электростатических разрядов и методики расчета электромагнитных помех на входах БРЭА КА 96
3.1. Моделирование картины растекания токов по поверхности КА с помощью электрических цепей сосредоточенных элементов 97
3.2. Параметрическое моделирование элементов поверхности космического аппарата 102
3.3. Зависимость характеристик элементов СЭМ от параметров дискретизации геометрической модели КА 107
3.4. Разработка метода формирования структурной электрофизической модели КА на основе параметрических макромоделей 110
3.4.1. Построение модели схемы на основе редукции подсхем 111
3.4.2. Построение модели схемы с использованием макромоделирования 113
3.5. Оценки трудоемкости процесса анализа построенной модели 119
3.5.1. Анализ в частотной области 119
3.5.2. Трудоемкость анализа модели, состоящей из подсхем 121
3.5.3. Трудоемкость анализа модели, состоящей из макромоделей 124
3.6. Разработка методики расчета электромагнитных помех на входах БРЭА К А 125
4. Разработка методики оценки стойкости БРЭА КА к воздействию ЭСР и ее обеспечение на схемно-техническом и конструкторском уровнях 133
4.1. Элементы теории оценки стойкости БРЭА КА к воздействию ЭСР 133
4.2. Показатели стойкости БРЭА КА к воздействию ЭСР 144
4.3. Топологический подход к созданию средств защиты БРЭА КА от ЭСР 152
4.4. Разработка методики учета неоднородностей экранов БРЭА 158
4.4.1. Потери на поглощение и отражение зоны одиночной апертуры 158
4.4.2. Влияние группировки апертур 162
4.5. Методика расчета эффективности экранирования неоднородными экранами 165
4.6. Анализ методов повышения электропроводности поверхностей 170
5. Экспериментальные исследования и методы обеспечения стойкости БРЭА КА к воздействию ЭСР 184
5.1. Разработка методики экспериментального определения коэффициента трансформации тока, протекающего по корпусу КА, в напряжение помехи во фрагментах БКС 184
5.2. Разработка методик и проведение стендовых испытаний экранирующих свойств корпуса КА к воздействию ЭСР 192
5.3. Разработка методики проведения стендовых испытаний оценки стойкости БРЭА КА к длительному периодическому воздействию ЭСР 197 5.4. Методика мониторинга стойкости БРЭА КА к воздействию ЭСР 202
Выводы 204
Заключение 207
Дальнейшие направления исследований 210
Список использованных источников и литературы 211
Приложение 228
- Анализ типов разрядов, условий и параметров заряжения поверхности КА
- Анализ внутренних и внешних полей в облучаемых полимерах
- Параметрическое моделирование элементов поверхности космического аппарата
- Показатели стойкости БРЭА КА к воздействию ЭСР
Введение к работе
Актуальность проблемы. Радиоэлектронная аппаратура (РЭА), устанавливаемая на борту космических аппаратов (КА), развивается в сторону внедрения цифровых технологий, повышения тактовых частот обработки информации, расширения спектра обрабатываемых сигналов. Одновременно минимизируются массогабаритные параметры аппаратуры, увеличивается плотность ее компоновки в объеме КА. Все это создает сложную обстановку с позиций электромагнитной совместимости (ЭМС) приборов и узлов бортовой РЭА (БРЭА). Особую роль при этом играют процессы электризации поверхности КА, вызывающие электростатические разряды (ЭСР) на поверхности блоков и кабельных систем. ЭСР, возникающие вследствие дифференциальной зарядки КА, являются источниками электромагнитных помех (ЭМП), воздействующих на отдельные элементы и устройства и (или) бортовые системы в целом.
Разности потенциалов на поверхностях КА, находящихся на геостационарных орбитах (ГСО), могут достигать 20 кВ, а средние значения энергии ЭСР составляют 6-200 мДж. В результате ЭСР по корпусу КА протекают импульсные токи амплитудой до 100 А. Они приводят к возникновению ЭМП в элементах кабельных систем БРЭА.
ЭМП различной природы, вызванные ЭСР, приводят к кратковременным сбоям и отказам БРЭА, искажению информационных сигналов и сигналов управления, а в отдельных случаях физическому повреждению бортовых устройств. В нашей стране этим проблемам посвящены работы ученых: Саенко В.С., Пожидаева Е.Д., Кечиева Л.Н., Кириллова В.Ю., Акишина А.И., Новикова Л.С., Тютнева А.П., и др., а среди зарубежных специалистов можно отметить Бокслейтера В., Барнса Дж., Уайта Дж., Отта Г. Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику защиты бортовой аппаратуры от ЭСР. 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 С.И. и др.
Из-за высокой сложности реальных конструкций КА и их РЭА задача определения места разряда и его уровня достаточно сложна и на сегодняшний день не отработана. Это затрудняет разработку методов и средств предотвращения ЭСР и, соответственно, защиты аппаратуры от его воздействия. Очевидно, что научно-обоснованные меры, принятые на этапе концептуальной и технической проработки изделия, экономически целесообразнее, чем доработка КА на этапе стендовых испытаний. Если проблема, связанная с повышением стойкости РЭА КА к воздействию ЭСР не будет решена, то возможный ущерб от потери спутников по этой причине может многократно превосходить их стоимость.
Таким образом, решение научно-технической проблемы обеспечения стойкости БРЭА КА к воздействию ЭСР при их эксплуатации на геостационарной и высокоэллиптических орбитах является актуальным и важным для различных областей народного хозяйства страны и ее обороноспособности.
Цель работы. Обеспечение стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов путем моделирования воздействия электростатических разрядов на элементы, узлы и кабельные системы аппаратуры и разработка на этой основе научно-обоснованных рекомендаций по повышению ее помехозащищенности.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
-
Развита теория радиационной электропроводности (РЭ) полимеров внешней поверхности КА и на этой основе сформулирован принцип минимальной радиационной электропроводности (МРЭ), что создает теоретические предпосылки для расчета электрических полей в экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) КА в наихудшем случае: прохождение геомагнитной суббури, низкая температура.
-
Разработана структурная электрофизическая модель (СЭМ) растекания токов по корпусу КА при ЭСР и предложен метод расчета ЭМП, возникающих на входе БРЭА КА при ЭСР, а также методические и программные средства расчета уровней ЭМП.
-
Разработаны методика оценки стойкости БРЭА к воздействию ЭСР на поверхности КА и научно-обоснованные рекомендации обеспечения стойкости БРЭА КА на схемно-техническом и конструкторском уровнях.
-
Разработаны методики проведения стендовых испытаний КА на стойкость БРЭА к воздействию ЭСР.
-
Разработана методика мониторинга качества функционирования БРЭА КА, находящейся под потенциальным воздействием ЭСР.
Методы исследования. При решении сформулированных задач использовались: теория радиационной электропроводности полимеров, методы теоретической электротехники; теория электромагнитного поля; теория макромоделирования, теория электромагнитной совместимости технических средств, методы вычислительной математики и элементы теории стойкости электронной аппаратуры.
Основные результаты, представленные на защиту:
-
Принцип минимальной радиационной электропроводности полимеров, положенный в основу расчета напряженности электрического поля в экранно-вакуумной теплоизоляции КА в условиях наихудшего случая: сильная геомагнитная суббуря, низкая температура.
-
Структурная электрофизическая модель растекания токов по корпусу КА при ЭСР, основанная на представлении конструкции КА в виде эквивалентной схемы из R, L и C элементов, и метод расчета ЭМП, возникающих на входах бортовой радиоэлектронной аппаратуры КА при воздействии ЭСР, с учетом большой размерности СЭМ за счет применения макромоделирования.
-
Методика экспериментального определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности КА, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах БКС.
-
Методика оценки стойкости БРЭА к воздействию ЭСР на поверхности КА и рекомендации по обеспечению стойкости БРЭА на схемно-техническом и конструкторском уровнях, включая методику проектирования неоднородных электромагнитных экранов.
-
Методики проведения стендовых испытаний КА на стойкость БРЭА к воздействию ЭСР.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
-
На основе исследования РЭ полимеров сформулирован принцип минимальной радиационной электропроводности, положенный в основу расчета напряженности электрического поля в ЭВТИ КА в условиях наихудшего случая: сильная геомагнитная суббуря, низкая температура.
-
Разработана структурная электрофизическая модель растекания токов по корпусу КА при ЭСР, отличающаяся структурой, позволяющей за счет применения методов макромоделирования существенно повысить размерность и точность решаемой задачи определения растекания токов в любой точке поверхности КА, и предложен метод расчета ЭМП, возникающих на входах БРЭА КА при воздействии ЭСР.
-
Разработана методика экспериментального определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности КА в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах БКС, отличающийся применением оригинального генератора, что позволяет уменьшить погрешность расчетов уровней помех в два раза.
-
Предложена методика оценки стойкости БРЭА к воздействию ЭСР на поверхности КА, отличающаяся возможностью получения научно-обоснованных рекомендаций по обеспечению стойкости БРЭА на схемно-техническом и конструкторском уровнях, включая методику проектирования неоднородных электромагнитных экранов.
-
Предложены методики проведения стендовых испытаний КА на стойкость БРЭА к воздействию ЭСР, отличающиеся применением автономного генератора помех с калиброванными разрядниками, что позволяет исключить влияние питающей сети и повысить точность и воспроизводимость результатов испытаний.
Практическая полезность полученных результатов заключается в следующем:
-
Разработаны методические и программные средства расчета уровней ЭМП на входах БРЭА КА при ЭСР, возникающих на поверхности КА.
-
Разработаны оригинальное устройство для имитации воздействия ЭСР, соответствующих натурным условиям эксплуатации КА, и методика определения коэффициента трансформации тока на этом устройстве.
-
Созданы методики стендовых испытаний КА на стойкость БРЭА КА к воздействию ЭСР на основе автономного испытательного генератора помех с калиброванными разрядниками.
-
Разработаны практические рекомендации по конструированию БРЭА КА, стойкой к воздействию ЭСР, а также методика расчета неоднородных электромагнитных экранов БРЭА.
-
Разработана методика мониторинга качества функционирования БРЭА КА, находящейся под потенциальным воздействием ЭСР.
Приоритет практических решений подтвержден следующими патентами и свидетельствами:
-
Соколов А.Б., Теверовский А.А. Структура для измерения заряда на границе раздела полупроводник-полимер. А.с. 1302955 СССР. НОI 21\66-Опуб.1986.
-
Соколов А.Б., Дорофеев А.Н., Саенко В.С. Расчет наводок во фрагментах бортовой кабельной сети космических летательных аппаратов. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007614306 от 09 октября 2007 года.
-
Соколов А.Б., Марченков К.В., Саенко В.С. Расчет величины помеховых сигналов во фрагментах бортовой кабельной сети космических летательных аппаратов. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007614835 от 23 ноября 2007 года.
-
Соколов А.Б., Агапов В.В, Марченков К.В., Саенко В.С. Устройство для определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети. Патент на полезную модель № 75477 от 10 августа 2008 года.
-
Соколов А.Б., Жаднов В.В., Полесский С.Н., Мальгин Ю.В., Якубов С.Э. База данных по характеристикам надежности и качества электронно-вычислительных средств и комплектующих. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2008620402 от 07 ноября 2008 года.
-
Соколов А.Б., Пожидаев Е.Д., Саенко В.С., Тютнев А.П. Экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата. Патент на изобретение № 2344972 от 27 января 2009 года.
-
Соколов А.Б., Агапов В.В., Востриков А.В., Саенко В.С. Коэффициенты трансформации тока, протекающего по корпусу космического аппарата, в напряжение помех во фрагментах бортовой кабельной сети. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2009620068 от 03 февраля 2009 года.
Основные результаты в виде методов, методик, рекомендаций, инженерных методов расчетов внедрены на следующих предприятиях и в организациях:
ФГУП «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт» (МНИРТИ);
Государственный космический научно-производственный центр (ГКНПЦ) им. М.В. Хруничева;
ФГУП «Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина»;
ОАО «Научно-производственное объединение «Лианозовский электромеханический завод»;
Московский союз научных и инженерных общественных объединений (МОС СНИО);
ГОУВПО «Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)» (МИЭМ);
ГОУВПО «Сибирский федеральный университет» (СФУ);
ГОУВПО «Московский государственный институт радиоэлектроники и автоматики (технический университет)» (МИРЭА).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:
Всесоюзном научно-техническом семинаре «Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем» (Рязань - 1984 г.);
Научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» (Гурзуф - 1995, 1996 г.г.; Судак - 2001, 2004 г.г.; Сочи - 2007 г.);
Научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Судак - 2002 г.);
XVIII международном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь- 7-12 июля 2008 г.);
Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (Пенза - 2008 г.);
Конференции «Радиационная стойкость электронных систем» (МО, г. Лыткарино -2008г.);
Десятой Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности. ВИТУ. (С.Петербург - 2008 г.).
Публикации. Результаты диссертации отражены в 57 опубликованных работах, в числе которых 43 статьи в журналах, сборниках статей, материалах конференций, 14 научно-технических отчетов, имеющих государственную регистрацию. В журналах, включенных в перечень ВАК, опубликовано 11 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 146 наименований и приложения.
Анализ типов разрядов, условий и параметров заряжения поверхности КА
Обычно различают два основных типа разрядов: сквозной объемный пробой (ЭСР-ОП) поверхностно заряженного диэлектрического слоя на металлическую подложку и скользящий вдоль поверхности диэлектрика пробой (ЭСП-СП) вакуумного промежутка между соседними участками поверхности или соседними проводящими (но изолированными друг от друга) элементами конструкции. Оба типа разряда и в особенности последний, сопровождается выбросом плазмы в окружающее пространство.
Схема развития пробоя обычно такова. Если на металлическую подложку нанести слой диэлектрика толщиной порядка 100 мкм, то во время магнитосферной бури и в отсутствие прямого воздействия солнечных лучей происходит накопление объемного отрицательного заряда в приповерхностном слое диэлектрика толщиной до 20 мкм. Отличительной чертой ЭСР в условиях открытого космического пространства является их искровой характер, и их длительность не превышает несколько микросекунд. Пиковое значение тока разряда может достигать 100 А, что приводит к излучению в пространство значительной электромагнитной энергии, и сопровождается генерацией электромагнитной помехи на входах БРЭА КА.
В случае диэлектриков с двухсторонней металлизацией обычно встречаются сквозные пробои на подложку. При облучении диэлектриков с открытой поверхностью они наблюдаются, когда величина пробега электронов сопоставима с толщиной диэлектрического слоя. В диэлектриках достаточно большой толщины (эмалевые ТРП, оптические, солнечные отражатели, защитные покрытия солнечных батарей) более вероятно развитие скользящих пробоев с выбросом заряда.
Как показали эксперименты, самым распространенным и приводящим к наиболее значительным негативным последствиям типом пробоя, сопровождающим электризацию диэлектрических покрытий КА, является пробой в облучаемой области диэлектрика с выбросом заряда в окружающее пространство.
Выброс заряда в вакуум прежде всего индуцирует переходные токи в цепи того элемента КА, на котором расположен диэлектрик. При сквозном пробое происходит взаимная нейтрализация отрицательного заряда, накопленного в диэлектрике, и равного ему по величине индуцированного положительного заряда подложки. При этом переходные токи во внешней цепи диэлектрика малы. В то же время выброс отрицательного заряда в вакуум сопровождается стеканием соответствующего ему положительного заряда подложки через связанные с диэлектриком элементы КА.
Кроме того, движение выброшенного заряда в окружающем пространстве приводит к генерации сильной электромагнитной помехи. При сквозном пробое траектория движения заряда ограничена толщиной диэлектрического слоя, энергия генерируемого электромагнитного импульса значительно меньше, чем в случае ЭСР-СП.
Наконец, пробои в диэлектрических покрытиях КА приводят к механическому разрушению их поверхности. Кроме того, выброс плазмы из диэлектриков приводит к ее попаданию на элементы конструкции КА и возникновению в них паразитных токов.
Выброс плазмы в окружающее пространство сопровождается излучением импульса СВЧ-мощности в диапазоне частот 400-1000 МГц, представляющим определенную опасность для работы антенно-фи дерн ого устройства и телевизионной аппаратуры на борту КА. Этот импульс связан с плазменными колебаниями факела разряда.
Протяженность суббури в космическом пространстве в области обычных геостационарных орбит составляет обычно от 1 до 3 суток с частотой появления 20-30 раз в год. В настоящее время считается, что в момент суббури в области ГСО плазма с удовлетворительным приближением может быть охарактеризована следующими параметрами двухтемпературной максвелловской функции распределения для электронов и протонов (табл. 1.2) [19].
Анализ внутренних и внешних полей в облучаемых полимерах
Расчет электрических полей в диэлектриках, подвергаемых воздействию потоков ионизирующих излучений, связан со значительными трудностями корректного описания прохождения заряженных частиц через вещество, радиационной электропроводности, а также влияния электрических полей и потенциала облучаемой поверхности на параметры падающего излучения (энергию заряженных частиц и их траектории, вторичную электронную эмиссию и т.д.). Общее понимание этой нестационарной, нелинейной, трехмерной, многостадийной задачи до сих пор отсутствует. Однако, для интерпретации многочисленных лабораторных экспериментов, поставленных с целью изучения отдельных этапов этого сложного явления, достаточно упрощенной (в количественном, но не в качественном плане) феноменологической теории.
Имея в виду тот факт, что наибольшие электрические поля в диэлектрике создаются при длительном облучении, мы ограничились только стационарным случаем, что позволило существенно упростить математические выкладки. Кроме того, большинство лабораторных экспериментов выполнено в условиях, когда для их интерпретации можно воспользоваться одномерным приближением (все физические величины зависят только от координаты, направленной перпендикулярно поверхности облучаемого диэлектрика).
Известны три основных подхода при проведении лабораторных экспериментов, направленных на изучение объемного заряжения диэлектрических слоев при воздействии на них потоков ионизирующих излучений.
Во-первых, это режим равномерной высокоэнергетической инжекции (РОВИ). В этом случае предполагается, что как мощность дозы RQ, так и скорость объемной инжекции избыточных носителей заряда OQ постоянны по толщине облучаемого слоя [76-79]. Очевидно, что этот режим объемного заряжения реализуется при облучении тонких диэлектрических слоев ионизирующими излучениями, характерная длина ослабления которых много больше толщины слоя. Параметр 9о характеризует скорость введения объемного заряда в единицу объема облучаемого диэлектрика. Этот объемный заряд и приводит к появлению внутреннего электрического ПОЛЯ. В свою очередь, введение объемного заряда происходит за счет торможения первичных или вторичных (в случае гамма- или вторичного нейтронного облучения) быстрых заряженных частиц.
Во-вторых, это режим заряжения, в некотором смысле обратный только что рассмотренному случаю РОВИ, при котором происходит полная остановка заряженных частиц (электронов, протонов, дейтронов, ог-частиц) в диэлектрическом слое [81—82]. Диагностика внутренних электрических полей осуществляется путем регистрации токов, стекающих с переднего (облучаемого) и заднего (тыльного) электродов на землю, при этом электроды диэлектрического слоя находятся под нулевым потенциалом,
И, наконец, наиболее сложный для интерпретации режим заряжения диэлектрического слоя с открытой облучаемой поверхностью (ОП), когда облучаемый электрод или вообще отсутствует или находится под плавающим потенциалом, опять же в условиях полной остановки заряженных частиц в диэлектрическом слое [78, 83—85]. Теперь параметры пучка заряженных частиц заметно изменяются в процессе электризации диэлектрического слоя, так как потенциал облучаемой поверхности при облучении существенно возрастает по абсолютной величине, тем самым, понижая энергию частиц пучка, достигающих его поверхности. В геометрии узкого пучка необходимо, кроме того, считаться с его расходимостью под влиянием индуцируемого электрического поля. Однако при проведении экспериментов в геометрии широкого пучка этот эффект можно свести к минимуму и по-прежнему пользоваться одномерным рассмотрением задачи.
Параметрическое моделирование элементов поверхности космического аппарата
При построении поверхности в трехмерном пространстве можно сразу же указывать параметры дискретизации поверхности базового примитива. Например, при построении полусферы, моделирующей параболическую антенну указывается степень разбиения по широте и долготе. Для этого используется специальная процедура, которая рассчитывает в пространстве координаты вершин четырехугольных граней сферы (рис. 3.6).
Булевыми операциями называют операции объединения, пересечения и вычитания базовых примитивов, так как они выполняют одноименные операции над внутренними объемами тел. Результатом операции объединения двух базовых примитивов является тело, которое содержит точки, принадлежащие внутреннему объему или первого, или второго примитива. Результатом операции пересечения двух базовых примитивов является тело, которое содержит точки, принадлежащие внутреннему объему как первого, так и второго базового примитива. Результатом операции вычитания двух базовых примитивов является тело, которое содержи! точки, принадлежащие внутреннему объему первого, но не принадлежащие внутреннему объему второго тела.
Полигональные сетки являются просто набором полигонов, или граней, которые в совокупности формируют поверхность любого объекта. Таким образом, в итоге мы получили список граней или элементарных поверхностей с заданными размерами, пространственными координатами и электрофизическими свойствами, описывающими поверхность спутника. Эта сетка является связанной, т.е. между любыми двумя вершинами существует непрерывный путь вдоль ребер полигона. Это значит, что при преобразовании единой сетки в эквивалентную электрическую схему нигде не будет разрывов цепи.
Для операции объединения необходимо: 1. Построить линии пересечения граней двух примитивов, а на их базе -новые ребра. 2. Определить точки пересечения новых ребер со старыми ребрами и в этих точках разрезать старые ребра на несколько новых ребер. 3. Перестроить циклы пересекшихся граней. Затем добавить к пресекшимся граням примитивов грани, топологически связанные с ними.
Кратко суть операции можно описать следующим образом: нужно найти линии пересечения граней примитивов, удалить ту часть первого примитива, которая попала внутрь второго примитива и ту часть второго примитива, которая попала внутрь первого примитива, а из всего остального построить новое тело.
Булева операция пересечения примитивов похожа на операцию объединения. Последовательность выполнения этой операции выглядит следующим образом: 1. Найти линии пересечения граней примитивов. 2. В пересечение примитивов войдет часть грани перового примитива, лежащая внутри второго примитива, и часть грани второго примитива, лежащая внутри первого примитива.
Булева операция вычитания примитивов сводится к булевой операции пересечения уменьшаемого примитива и вывернутого наизнанку вычитаемого примитива. Вывернутый наизнанку примитив мы получим из исходного примитива путем переориентации направления нормалей граней и направления циклов граней.
Применение булевых операций при моделировании поверхности КА позволило решить задачу стыковки. При этом еще на этапе выбора набора базовых примитивов можно задавать значения R, L и С элементовконструкции спутника для составления структурной электрофизической модели.
Показатели стойкости БРЭА КА к воздействию ЭСР
Как показано в предыдущих главах работы, для КА не удается избежать возникновения заряжения оболочки КА статическим электричеством, и велика вероятность возникновения ЭСР. Поэтому объектом формального рассмотрения являются элементы поверхности КА, которые подвержены заряду статического электричества и разряжаются на составные части БРЭА и кабельные системы. При этом пас интересуют ЭСР, связанные с безотказностью и безопасностью БРЭА. Это в значительной степени конкретизирует рассматриваемую проблему и упрощает ее решение. Анализ различных схем разряда статического электричества, проведенный с точки зрения безотказности и безопасности К А, показал, что наиболее опасной является ситуация, когда объект электризации и объект, на который происходит разряд, имеют общую точку и заземлены, что отвечает конструкции БРЭА. Общая модель заряда-разряда ЭСР, учитывающая изложенные в предыдущих разделах положения, представлена на рис. 4.1. Образование ЭСР имитируется на схеме источником высокого напряжения (ИВН) с внутренним сопротивлением Rj. Так как ток электризации составляет доли или единицы микроампер, значение R3 будет лежать в диапазоне 1-10 МОм. Объект электризации, обладающий определенной емкостью С(), заряжается до некоторого напряжения U0. Он обладает также активным и индуктивным сопротивлением (R0u LQ соответственно). Напряжение (потенциал) статической электризации (выходное напряжение ИВН) в общем случае может изменяться в весьма широких пределах от единиц вольт до мегавольт. При определенных условиях происходит ЭСР. Контакт или пробой имитируется на схеме ключом К, который обладает активным и индуктивным сопротивлением (Яки LK). Объект (БРЭА или кабельная система), подвергшийся воздействию разряда ЭСР, в общем случае также обладает активным и индуктивным сопротивлением (Run Lu). Представленная модель отражает тот факт, что основным поражающим фактором разряда статического электричества является ток разряда, протекающий через объект воздействия. Поэтому следующей задачей является представление амплитудно-временных параметров напряжения и тока на объекте воздействия. При этом учитываются результаты анализа, изложенные в предыдущих главах. Анализ схемы, представленной на рис. 4.1, показывает, что ввиду большого значения R3 зарядный контур на решение этой задачи практически не влияет. Вследствие этого общая модель ЭСР примет вид, представленный на рис. 4.2 (Rp = R0+RK): Переходные процессы в этой цепи, описываются дифференциальными уравнениями второго порядка. Уравнение для разрядного тока / на объекте воздействия записывается в виде [116]: где R и L - суммарные значения активного и индуктивного сопротивлений разрядного контура соответственно. Таким образом, для определения амплитудно-временных параметров воздействия необходимо знать значения следующих параметров цепи: напряжения электризации U0, емкости и сопротивления объекта электризации, сопротивления разрядного промежутка и объекта воздействия. При этом необходимо отметить, что от значения сопротивления объекта воздействия зависят не только амплитудно-временные параметры воздействия, но и его характер. При R 2--SJL/C разряд объекта электризации (конденсатора С0) носит колебательный характер, а при R 2-JZ/C - апериодический. При апериодическом характере разряда объекта электризации Существенная зависимость параметров электростатического разряда от соотношения электрических параметров объекта электризации и объекта воздействия, а также большое отличие значений напряжения электризации объектов различного типа, обуславливает необходимость решения поставленной задачи не в общем плане, а для конкретных моделей воздействия. В контексте поставленной в работе цели - это КА - БРЭА или кабельная система оборудования. В главе 3 проведено моделирование токов растекания по обшивке КА, что позволяет оценить параметры ЭСР Для выбора параметров разобьем элементы модели на две группы: электрические параметры разрядного промежутка; электрические параметры БРЭА и КА, которые следует знать и учитывать в дальнейшем. Определение параметров и исследование модели проведем для случая так называемого контактного разряда, когда переходное сопротивление разрядного промежутка практически равно нулю.
