Содержание к диссертации
Введение
1. Электростатические разряды на борту космических аппаратов . 9
1.1. Образование электростатических разрядов при взаимодействии; космических аппаратов с магнитосфернои плазмой...9
1.2. Проникновение и распространение электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами в конструкции и бортовой кабельной сети космического аппарата.13
1.3. Воздействие электромагнитных помех от электростатических разрядов на элементы и устройства бортовых систем космических аппаратов : 15
2. Исследование электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами . 21
2.1. Расчёт параметров излучаемых электромагнитных помех от электростатических разрядов:..21
2.1.1. Формулы расчёта параметров излучаемых электромагнитных помех. 21
2.1.2. Излучаемые электромагнитные помехив ближней и дальней зонах 34
2.1.3. Расчёт параметров излучаемых электромагнитных помехна; расстояниях, соизмеримых с длиной канала электростатического разряда: 38
2.2. Расчёт кондуктивных электромагнитньрс помех, создаваемых электростатическими разрядами .50
2.2.1.. Расчёт кондуктивных электромагнитных помех в виде импульсных токов и напряжений на экранах бортовых кабелей при контактных электростатических разрядах...52
2.2.21 Расчёт импульсных распределённых токов и напряжений на экранах кабелей; индуцированных излучаемыми электромагнитными помехами в виде электрического и магнитного полей, создаваемых электростатическими разрядами 61
2.2.3. Расчёт напряжений на внутренних проводниках экранированных кабелей, индуцированных контактными искровыми разрядами и излучаемыми электромагнитными помехами от электростатических разрядов 86
3. Исследование сопротивлений и функций связи экранов бортовых кабелей и гибких экранирующих материалов 113
3.1. Исследование частотных зависимостей сопротивлений связи между экранами и внутренними проводниками бортовых кабелей 113
3.2. Исследование частотных зависимостей функций связи между элементами конструкции и внутренними проводниками кабелей 115
3.3 Исследование частотных зависимостей функций связи гибких экранирующих материалов 125
3.4. Методика расчёта импульсных напряжений на внутренних проводниках на основе экспериментальных значений сопротивлений и функций связи 129
4. Проектирование экранов бортовых кабелей 144
4.1. Алгоритм определения параметров сплошных экранов 144
4.2. Методика проектирования оплёточных экранов кабелей при воздействии импульсных электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами 153
Заключение 174
Библиографический список использованных источников 176
- Воздействие электромагнитных помех от электростатических разрядов на элементы и устройства бортовых систем космических аппаратов
- Излучаемые электромагнитные помехив ближней и дальней зонах
- Исследование частотных зависимостей функций связи между элементами конструкции и внутренними проводниками кабелей
- Методика проектирования оплёточных экранов кабелей при воздействии импульсных электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами
Введение к работе
На современном этапе развития ракетно-космической техники актуальной является научно-техническая задача увеличения срока службы космических аппаратов.
Одним из направлений по продлению времени эксплуатации является повышение стойкости бортовой электронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов, возникающих вследствие дифференциальной зарядки диэлектрических поверхностей.
Влияние электростатических разрядов, образующихся при воздействии фактора космического пространства - магнитосферной плазмы, приводит к ухудшению качества функционирования бортовых систем, к появлению сбоев и отказов и, в ряде случаев, к выходу из строя их элементов и устройств или потере самого аппарата.
Бортовые кабели и проводники наиболее восприимчивы к воздействию электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами. Анализ их восприимчивости и повышение помехозащищённости является важной научно-технической задачей, и её успешное решение позволит увеличить сроки функционирования космических аппаратов на различных орбитах в условиях агрессивного воздействия электростатических разрядов.
Существующие способы расчёта, разработанные зарубежными исследователями (например, Каденом Г., Вэнсом Э.Ф.) и отечественными учёными (Кравченко В.И., Гродневым И.И., Дьяковым А.Ф., Максимовым Б.К., Куже-киным И.П. и др.), позволяют оценить реакцию внутренних проводников бортового кабеля на воздействие электромагнитных помех при известных параметрах экрана. Использование этих способов для обеспечения требуемой помехозащищённости и необходимых массогабаритных параметров основано на выборе заранее известных параметров экрана и последующих расчёте и экспериментальной проверке эффективности экранирования. В связи с этим, возникает необходимость в разработке методики проектирования, позво- s ляющей целенаправленно определять параметры экрана по исходным данным, задаваемым в виде ограничений на индуцированные на внутренних проводниках электромагнитные помехи от электростатических разрядов, с учётом требований к помехозащищённости бортовой электронной аппаратуры и массогабаритным параметрам кабелей космического аппарата.
Цель работы. На основе исследования электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами, разработать методику проектирования экранов бортовых кабелей космических аппаратов, позволяющую обеспечивать требуемые уровень помехозащищённости и массогабаритные параметры.
Для достижения поставленной цели необходимо: провести анализ: возникновения электростатических разрядов на борту космического аппарата, проникновения и распространения электромагнитных помех от электростатических разрядов в конструкции и бортовой кабельной сети, воздействия электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами, на элементы и устройства бортовых систем; теоретически оценить уровни излучаемых электромагнитных помех в виде импульсных электрического и магнитного полей от электростатических разрядов, возникающих вследствие электризации космического аппарата в магнитосферной плазме; осуществить анализ уровней кондуктивных электромагнитных помех в виде импульсных токов и напряжений, создаваемых электростатическими разрядами на экранах бортовых кабелей космических аппаратов; разработать методику расчёта напряжений на внутренних проводниках, индуцированных импульсными токами, протекающими на экранах кабелей и элементах конструкции космического аппарата, создаваемых электростатическими' разрядами; разработать алгоритм проектирования сплошных экранов бортовых кабелей космических аппаратов для защиты от воздействия электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами; - разработать методику проектирования оплёточных экранов кабелей для защиты от воздействия электромагнитных помех, создаваемых электростати ческими разрядами.
При решении сформулированных задач использовались: методы теоретической электротехники, электродинамические подходы, некоторые уравнения математической физики, теория приближений, численные методы оптимизации, а также теория функций комплексного переменного и операционное исчисление.
Научная новизна данной работы заключается в следующем: проведены теоретические исследования, позволяющие оценивать уровни напряженностеи импульсных электрического и магнитного полей от электростатических разрядов на расстояниях, соизмеримых с длиной его плазменного канала; предложена модель воздействия электростатического разряда на экранированный кабель и, на её основе, проведён теоретический анализ, позволяющий оценивать уровни кондуктивных электромагнитных помех в виде импульсных токов и напряжений, создаваемых электростатическими разрядами, на экранах и внутренних проводниках бортовых кабелей; предложена методика анализа помехозащищённости экранированных бортовых кабелей на основе экспериментальных частотных характеристик сопротивлений и функций связи; разработан алгоритм проектирования сплошных экранов бортовых кабелей при воздействии импульсных электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами; разработана методика проектирования оплёточных экранов бортовых кабелей для обеспечения требуемых уровня помехозащищённости и массога-баритных параметров при воздействии электростатических разрядов.
Практическое значение работы заключается в следующем: - полученные теоретические оценки уровней напряженностеи импульс ных электрического и магнитного полей, создаваемых электростатическими
7 разрядами, могут быть использованы в качестве исходных данных при проектировании экранов бортовых кабелей космических аппаратов; предложенная методика анализа позволяет моделировать реакцию внутренних проводников на воздействие импульсных токов электростатических разрядов на экранах и элементах конструкции космического аппарата, что даёт оценку помехозащищённости бортовых кабелей; реализованный в компьютерных средах MATLAB и Mathcad алгоритм позволяет автоматизировать процесс проектирования сплошных экранов бортовых кабелей с требуемыми помехозащищённостью и массогабаритными параметрами; разработанная методика проектирования позволяет определять параметры оплёточных экранов бортовых кабелей, при которых обеспечиваются заданная помехозащищённость и массогабаритные параметры при воздействии электростатических разрядов.
Автор защищает: оценки уровней напряжённостей импульсных электрического и магнитного полей от электростатических разрядов, возникающих на элементах конструкции космического аппарата на расстояниях, соизмеримых с длиной плазменного канала; модель воздействия на экранированные кабели электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами; методику анализа, позволяющую оценивать помехозащищённость бортовых кабелей при воздействии электростатических разрядов; алгоритм автоматизированного проектирования сплошных экранов бортовых кабелей; - методику проектирования оплёточных экранов бортовых кабелей. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались на:
2-ой Всероссийской конференции учёных, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике» (Москва, 2009 г.);
8-ой и 9-ой Международных конференциях «Авиация и космонавтика» (Москва, 2009, 2010 г.г.); научно-практических конференциях молодых учёных и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавтике» (Москва, 2010,2011 г.г.);
9-ом Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии ЭМС-2011 (Санкт-Петербург, 2011г.).
Результаты по тематике диссертационной работы отражены в тринадцати опубликованных работах, включая сборники тезисов докладов конференций. В журналах, включенных в перечень рекомендованных ВАК РФ, опубликовано пять статей.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованных источников, включающего сорок четыре наименования.
Воздействие электромагнитных помех от электростатических разрядов на элементы и устройства бортовых систем космических аппаратов
Накопление в материалах электрических и структурных повреждений, вызываемых отдельными частицами, создаёт эффект полной поглощённой дозы. Он особенно опасен для современных электронных компонентов и интегральных схем, состоящих из микроскопически малых транзисторов и других электрических элементов. Дефекты кристаллической решётки, накопление зарядов в слоях диэлектриков, изменения характеристик границ раздела приводят к деградации электрических и функциональных характеристик (возрастают обратные токи переходов, энергопотребление, ухудшаются временные характеристики и т.п.) вплоть до полного отказа отдельных элементов. Выделяют также эффект неионизирующей дозы - упругого и неупругого взаимодействия излучения с атомами вещества, сдвигающего их из узлов кристаллической решётки и приводящего к структурному повреждению материалов, открытых непосредственному воздействию излучения (солнечных панелей, различных датчиков, плёнок). Наиболее значительный вклад в такое воздействие вносят протоны с энергиями более 10 МэВ [4]. Более подробно эти эффекты освещены в специальной литературе [7], [8].
Эффект объёмной электризации связан с тем, что релятивистские электроны (частицы с большой длиной свободного пробега, например, фотоны), проникающие достаточно глубоко сквозь обшивку, тормозятся уже на внутренних элементах и образуют так называемый «объёмный заряд» в диэлектриках [4] со ссылкой на [9], [10].
Если потоки электронов достаточно велики, то заряд не успевает рассасываться, достигает критических величин и вызывает микропробой, что ведёт к нарушению работы бортовой электроники. Накопленный внутренний заряд становится достаточным для пробоя при сохранении потоков электронов с энергией 2 МэВ в течение нескольких дней [4] со ссылкой на [9].
Прохождение даже одиночных энергичных заряженных частиц через современную электронику может вызвать ряд негативных эффектов, называемых одиночными сбоями [4], [И], [12]. Если в полупроводниковом элементе (например, ячейке памяти) возникает большое количество свободных зарядов вдоль трека пролетевший частицы, то он может изменить своё логическое состояние, происходит одиночный сбой [4], [13], [14]. Также могут возникать ложные срабатывания, кратковременные импульсные сигналы на выходах аналоговых и цифровых схем и пр. Такие изменения могут быть обратимыми и необратимыми. При необратимых изменениях элемент «защёлкивается» в новом состоянии и остаётся в нём до отключения питания. В некоторых случаях возможно разрушение элемента или всего кристалла из-за увеличения тока и перегрева кристалла. Способность заряженной частицы вызывать одиночный сбой определяется, главным образом, такой характеристикой как линейная передача энергии (ЛПЭ) - интенсивно теряющие энергию частицы оставляют большую энергию в микроскопических элементах, и поэтому основной вклад в этот вид помех дают энергичные протоны и ядра гелия (более тяжёлые ядра редки).
Вариантом одиночных сбоев является нетепловой шум (паразитные сигналы), генерируемый высокоэнергичными частицами космических лучей в чувствительных элементах различных детекторов, в том числе находящихся под обшивкой [4] со ссылкой на [15].
Последствия воздействий ЭМП, создаваемых ЭСР, на полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы зависят от величин их энергий. В табл. 2 приведены значения энергий ЭМП, при которых происходят отказы, сбои и необратимые изменения в электронных элементах бортовых систем [б].
Повреждение конденсаторов, транзисторов, диодов и транзисторов средней мощности кг4 Повреждение стабилитронов, тиристоров, мощных транзисторов и тонкоплёночных резисторов 10"3 Для защиты от радиационной угрозы применяются конструктивные решения, обеспечивающие максимально возможную пассивную защиту наиболее чувствительных узлов, используются наиболее устойчивые к радиации микросхемы, происходит резервирование некоторых жизненно важных узлов. Также разрабатываются специальные методы контроля за электрическим и логическим состоянием электронных схем: за величинами токов и напряжений питания, за зависанием или непредусмотренными операциями бортовых программ, контроль состояния оперативное памяти и пр.- [4].
Для уменьшения влияния ЭСР на элементы и устройства бортовых систем изучаются физические явления, приводящие к их возникновению на поверхностях конструкций и корпусов бортовых приборов КА, разрабатываются и реализуются рекомендации, позволяющие .уменьшить вероятность образования ЭСР и последствия их воздействий на полупроводниковые приборы и интегральные схемы устройств бортовых систем [6]. 1. ЭСР возникают вследствие дифференциального заряжения диэлектрических поверхностей конструкции КА. Такому процессу наиболее подвержены КА, траектория которых располагается или пересекает геостационарную и высокоэллиптическую орбиты. 2. ЭСР, в свою очередь, служат естественными источниками излучаемых и кондуктивных ЭМП. К излучаемым ЭМП относятся импульсное электрическое, магнитное и электромагнитное поля. Кондуктивными ЭМП от ЭСР являются импульсные токи на элементах конструкции, экранах бортовых кабелей, токи и напряжения в электрических цепях приборов и устройств бортовых систем, а также на внутренних проводниках бортовых кабелей КА. 3. ЭМП, индуцированные ЭСР, распространяясь в магнитосферной плазме, достигают корпуса КА и проникают во внутренний объём его конструкции следующими основными путями: диффузией электромагнитного поля через корпус и элементы конструкции, через «прозрачные» для излучаемых ЭМП элементы поверхности, по проводникам и кабелям, соединяющим наружные и внутренние устройства бортовых систем.
Излучаемые электромагнитные помехив ближней и дальней зонах
Накопление в материалах электрических и структурных повреждений, вызываемых отдельными частицами, создаёт эффект полной поглощённой дозы. Он особенно опасен для современных электронных компонентов и интегральных схем, состоящих из микроскопически малых транзисторов и других электрических элементов. Дефекты кристаллической решётки, накопление зарядов в слоях диэлектриков, изменения характеристик границ раздела приводят к деградации электрических и функциональных характеристик (возрастают обратные токи переходов, энергопотребление, ухудшаются временные характеристики и т.п.) вплоть до полного отказа отдельных элементов. Выделяют также эффект неионизирующей дозы - упругого и неупругого взаимодействия излучения с атомами вещества, сдвигающего их из узлов кристаллической решётки и приводящего к структурному повреждению материалов, открытых непосредственному воздействию излучения (солнечных панелей, различных датчиков, плёнок). Наиболее значительный вклад в такое воздействие вносят протоны с энергиями более 10 МэВ [4]. Более подробно эти эффекты освещены в специальной литературе [7], [8].
Эффект объёмной электризации связан с тем, что релятивистские электроны (частицы с большой длиной свободного пробега, например, фотоны), проникающие достаточно глубоко сквозь обшивку, тормозятся уже на внутренних элементах и образуют так называемый «объёмный заряд» в диэлектриках [4] со ссылкой на [9], [10].
Если потоки электронов достаточно велики, то заряд не успевает рассасываться, достигает критических величин и вызывает микропробой, что ведёт к нарушению работы бортовой электроники. Накопленный внутренний заряд становится достаточным для пробоя при сохранении потоков электронов с энергией 2 МэВ в течение нескольких дней [4] со ссылкой на [9].
Прохождение даже одиночных энергичных заряженных частиц через современную электронику может вызвать ряд негативных эффектов, называемых одиночными сбоями [4], [И], [12]. Если в полупроводниковом элементе (например, ячейке памяти) возникает большое количество свободных зарядов вдоль трека пролетевший частицы, то он может изменить своё логическое состояние, происходит одиночный сбой [4], [13], [14]. Также могут возникать ложные срабатывания, кратковременные импульсные сигналы на выходах аналоговых и цифровых схем и пр. Такие изменения могут быть обратимыми и необратимыми. При необратимых изменениях элемент «защёлкивается» в новом состоянии и остаётся в нём до отключения питания. В некоторых случаях возможно разрушение элемента или всего кристалла из-за увеличения тока и перегрева кристалла. Способность заряженной частицы вызывать одиночный сбой определяется, главным образом, такой характеристикой как линейная передача энергии (ЛПЭ) - интенсивно теряющие энергию частицы оставляют большую энергию в микроскопических элементах, и поэтому основной вклад в этот вид помех дают энергичные протоны и ядра гелия (более тяжёлые ядра редки).
Вариантом одиночных сбоев является нетепловой шум (паразитные сигналы), генерируемый высокоэнергичными частицами космических лучей в чувствительных элементах различных детекторов, в том числе находящихся под обшивкой [4] со ссылкой на [15].
Последствия воздействий ЭМП, создаваемых ЭСР, на полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы зависят от величин их энергий. В табл. 2 приведены значения энергий ЭМП, при которых происходят отказы, сбои и необратимые изменения в электронных элементах бортовых систем [б]. Повреждение конденсаторов, транзисторов, диодов и транзисторов средней мощности кг4 Повреждение стабилитронов, тиристоров, мощных транзисторов и тонкоплёночных резисторов Для защиты от радиационной угрозы применяются конструктивные решения, обеспечивающие максимально возможную пассивную защиту наиболее чувствительных узлов, используются наиболее устойчивые к радиации микросхемы, происходит резервирование некоторых жизненно важных узлов. Также разрабатываются специальные методы контроля за электрическим и логическим состоянием электронных схем: за величинами токов и напряжений питания, за зависанием или непредусмотренными операциями бортовых программ, контроль состояния оперативное памяти и пр.- [4]. Для уменьшения влияния ЭСР на элементы и устройства бортовых систем изучаются физические явления, приводящие к их возникновению на поверхностях конструкций и корпусов бортовых приборов КА, разрабатываются и реализуются рекомендации, позволяющие .уменьшить вероятность образования ЭСР и последствия их воздействий на полупроводниковые приборы и интегральные схемы устройств бортовых систем [6]. 1. ЭСР возникают вследствие дифференциального заряжения диэлектрических поверхностей конструкции КА. Такому процессу наиболее подвержены КА, траектория которых располагается или пересекает геостационарную и высокоэллиптическую орбиты. 2. ЭСР, в свою очередь, служат естественными источниками излучаемых и кондуктивных ЭМП. К излучаемым ЭМП относятся импульсное электрическое, магнитное и электромагнитное поля. Кондуктивными ЭМП от ЭСР являются импульсные токи на элементах конструкции, экранах бортовых кабелей, токи и напряжения в электрических цепях приборов и устройств бортовых систем, а также на внутренних проводниках бортовых кабелей КА. 3. ЭМП, индуцированные ЭСР, распространяясь в магнитосферной плазме, достигают корпуса КА и проникают во внутренний объём его конструкции следующими основными путями: диффузией электромагнитного поля через корпус и элементы конструкции, через «прозрачные» для излучаемых ЭМП элементы поверхности, по проводникам и кабелям, соединяющим наружные и внутренние устройства бортовых систем.
Исследование частотных зависимостей функций связи между элементами конструкции и внутренними проводниками кабелей
Величины слагаемых, входящих в (1), различны и меняются в зависимости от параметров орбиты КА и геофизических условий. Обычно определяющим фактором является соотношение электронного тока плазмы, заряжающего КА отрицательно, и фотоэлектронного тока с поверхности, компенсирующего отрицательный заряд. Отметим, что в уравнение (1) могут войти дополнительные члены, отражающие воздействия дополнительных токов, обусловленных работой бортового оборудования КА, например, электроракетных двигателей, а также ионизацией собственной внешней атмосферы КА и некоторыми другими факторами [5].
Поверхность современных космических аппаратов на 80...90% (иногда и более) покрыта диэлектрическими материалами - терморегулирующими покрытиями, защитными стёклами солнечных батарей и т.д. Поэтому потенциалы освещенных и неосвещённых поверхностей космических аппаратов не выравниваются. Происходит так называемое «дифференциальное заряжение» поверхности, в отличие от которого заряжение КА как единого проводящего тела называется общим заряжением [1].
Дифференциальное заряжение также возникает из-за различия вторично эмиссионных характеристик материалов, находящихся на поверхности, различия условий попадания плазмы на отдельные участки поверхности и наличия на поверхности пазов, щелей и пр.
Характерное время общего заряжения КА обычно не превышает ОД с, а время дифференциального заряжения может составлять минуты (и даже десятки минут), что обусловлено медленным перераспределением зарядов на диэлектрических поверхностях и зарядкой ёмкостей, образованных этими поверхностями с металлическим корпусом [1].
Основные параметры, характеризующие процессы-электризации КА в разных областях космического пространства представлены в табл. 1 [5]. Возникающие при дифференциальном заряжении большие разности потенциалов между отдельными участками поверхности и элементами конструкции космического аппарата могут вызвать электростатические разряды (ЭСР), создающие электромагнитные, световые и акустические помехи для электронного и оптического оборудования космического аппарата. В настоящей работе рассматривается только воздействие электромагнитных помех (ЭМП). Различают следующие основные типы ЭСР [6]: 1) разряд в окружающее пространство (рис. 2); 2) скользящий поверхностный разряд; 3) пробой диэлектрика; при этом пробой диэлектрика может быть изолированным или достигающим металлической подложки или металлических частей конструкции космического аппарата (рис. 3): Проникновение и распространение электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами, в конструкции и бортовой кабельной сети космического аппарата ЭСР являются естественным источником ЭМП, которые можно разделить, согласно [6], на: 1) излучаемые ЭМП от ЭСР - импульсные электрическое, магнитное и электромагнитные поля; 2) кондуктивные ЭМП от ЭСР. Последние, в свою очередь, классифицируются на: - прямые кондуктивные ЭМП - импульсные токи от ЭСР на проводящих участках каркаса, элементах конструкции, корпусах приборов и устройств бортовых систем, на экранах бортовых кабелей КА, - так называемые конструкционные токи; - косвенные кондуктивные ЭМП - токи и напряжения, индуцируемые излучаемыми ЭМП от ЭСР в электрических цепях приборов и устройств бортовых систем, а также на внутренних проводниках бортовых кабелей КА. Излучаемые электромагнитные помехи, создаваемые ЭСР, распространяясь в магнитосферной плазме, достигают корпуса КА и проникают во внутренний объём его конструкции (гермоотсеки и термоконтейнеры) следующими путями [6]: 1) диффз зией электромагнитного поля через корпус и элементы конструкции (например, по поверхностям наружных антенн); 2) через «прозрачные» для излучаемых ЭМП элементы поверхности и технологические отверстия, сквозь щели и стыки и т.п: между участками корпуса; 3) по проводникам и кабелям, соединяющим наружные и внутренниеуст-ройства бортовых систем. Приборные отсеки и контейнеры; КА образуют сложные пространственные геометрические структуры (лабиринты). Приборы, принадлежащие одной или нескольким системам, располагаются в различных отсеках и связаны между собой электрическими проводниками и кабелями. Распространение ЭМП неразрывно связано с процессом проникновения, поэтому длямногоот-секового корпуса необходимо многократно рассматривать процессы распространения и проникновения. На рис. 4 изображена схема распространения и проникновенияизлучаемых ЭМП во внутреннем объёме конструкции КА. Кондуктивные ЭМП могут распространятьсяш электрических цепях через ёмкостные и индуктивные связи [6].
Методика проектирования оплёточных экранов кабелей при воздействии импульсных электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами
Таким? образом; описанная методикашозволяет экспериментально определять уровень напряжения помехи на внутренних проводниках; наведённой импульсным током заданной формы, протекаюыщмшоюпределённымучаст-камікорпуса илшэлементам конструкции КА конкретной«конфигурации;
ВІнастоящейіработепомехозаїцищенностьбортовьшкабелей КЩприщоз-действиигЗЄЕ предлагаетсякосвенноюцениватьх помощью функцийсвязи-Функции-связшустанавливаютколичественные соотношения между синфаз-ньіминаїгояжениями [33] нашнутрешїихпроводникахэкранированньж кабе лей и рядомшараметров; такихкак: токи;(потенциагсы)шау конструкционных элементах КА, напряжённость электрического; (магнитного) поля во внутреннем, объёме конструкции КА:, где UCBn - синфазное напряжение, наведённое на внутренние проводники бортового кабеля КА; I - ток, протекающий по элементу конструкции КА; UK - потенциал на конструкционном элементе КА; EBfc, НВ1С - соответственно напряжённости электрического и магнитного полей во внутреннем объёме конструкции КА; і - длина бортового кабеля КА. Экспериментальное исследование образцов кабелей, имеющих различные типы экранов, позволяет установить частотные зависимости функций связи Fca (f). Используя аппроксимации полученных кривых аналитическими функциями, можно рассчитать величины синфазных напряжений, наведённых на внутренних проводниках бортовых кабелей, например, при протекании импульсных токов (наличии потенциала) по элементам конструкции КА, индуцированных контактными ЭСР или излучаемыми ЭМП от изолированных ЭСР. Схема стенда для экспериментальных исследований функций связи при протекании конструкционного тока или наличии потенциала на элементе конструкции КА приведена на рис. 42. В соответствии с данной схемой, испытуемый образец экранированного кабеля размещается на диэлектрической прокладке на центральном электроде ТЕМ-камеры. От высокочастотного генератора (Г4-102) на центральный электрод ТЕМ-камеры, нагруженной на сопротивление RH = 50 Ом, подаётся напряжение. Отметим, что в случае исследования функции связи при наличии потенциала на элементе конструкции, подключение RH не производится. К одному из выводов внутреннего проводника испытуемого образца экранированного кабеля подключается из-мерительныйлриёмник (селективный микровольтметр SMV 11) при помощи коаксиального кабеля (рис. 43). Изображения установки для исследований и расположения испытуемого образца экранированного кабеля представлены на рис. 44 и рис. 45 соответственно. Частотные диаграммы функций связи различных образцов экранированных кабелей, полученные в результате исследований в частотном диапазоне 0,1...30,0, МГц приведены на рис. 46 и рис. 47. Для оценки уровней UCBn, наведённых при воздействиях ЭСР, на внутренние проводники интересующих типов кабелей КА можно применять следующую методику: 1. На элемент конструкции-КА, например, его корпус (рис. 48) подавать напряжение от высокочастотного генератора в требуемом диапазоне частот. 2". Зафиксировать соответствующие показания; измерительного приёмника, подключенного к одному из концов испытуемого кабеля, соединяющего, в свою очередь, два! бортовых прибора. 3. По полученным экспериментальным данным построить частотную зависимость, FCB (f), используя нужную"формулу из (133). 4. Аппроксимировать полученную кривую, модулем некой функции Fa св (р). 5. Представив в операторной форме ЭМП, индуцированную ЭСР, изменение которой имеет изображение по Лапласу П(р), записать выражение исви (р) = Рол».(р) П(р). Приэтом что в качестве П(р)могут выступать: ток (потенциал) на элементе конструкции КА, электрическое (магнитное) поле в его объёме, возникающие при воздействии ЭСР.1 Исследование частотных зависимостей функций связи гибких экранирующих материалов Эффективной дополнительной защитой от ЭСР и создаваемых ими ЭМП являются изготовленные по специальной технологии гибкие материалы. 06-ладаямалой массой, высокой прочностью и стойкостью многократным перегибам, гибкие проводящие и тканые радиопоглощающие материалы, а также их комбинация позволяют эффективно защищать электронные элементы и устройства бортовых систем КА от излучаемых ЭМП, вызванных ЭСР.Уровень помехозащищённости, достигаемый при использовании гибких материалов, может быть косвенно определён на основе функций связи. Функции связи устанавливают соотношения между напряжённостями электрического (или магнитного) поля и напряжениями на элементах конструкции и корпусах экранированных бортовых устройств, изолированных от корпуса КА (схема с плавающим заземлением [39]): где Е - напряжённость электрического поля; Н - напряжённость магнитного поля;инк - напряжение на корпусе бортового прибора.
Экспериментальное исследование позволяет установить частотные зависимости функций связи конкретных типов материалов. В свою очередь, аппроксимация частотных зависимостей, полученных в ходе испытаний, аналитическими функциями позволяет оценить уровень помехозащищённости при воздействии импульсного электрического или магнитного полей, создаваемых ЭСР.
Схема для экспериментального исследования функций связи при воздействии электрического поля приведена на рис. 49. В соответствии со схемой испытаний, рецептор, расположенный на заземлённой проводящей подложке, изолирован от неё диэлектрической прокладкой и укрывается гибким экранирующим материалом (рис. 50).
