автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Метод определения наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов на основе структурной электрофизической модели

005016100

На правах рукописи

Марченков Кирилл Витальевич

Метод определения наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов на основе структурной электрофизической модели

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з МАИ й;2

Москва - 2012

005016100

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)».

Научный руководитель д.т.н., профессор Саенко Владимир Степанович. Официальные оппоненты:

Балюк Николай Васильевич, д.т.н., проф., главный научный сотрудник ФБУ 12 ЦНИИ МО РФ.

Кириллов Владимир Юрьевич, д.т.н., проф., заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (МАИ), г. Москва

Ведущая организация: ФГУП «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт».

Защита состоится «17» мая 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 Московского государственного института электроники и математики (технического университета) по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ (ТУ)

Автореферат разослан « _» апреля 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, к.т.н., профессор

з

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации

В настоящее время развитие космической техники отечественного производства идёт по линии создания целевых группировок, важнейшим критерием эффективности которых является обеспечение длительных сроков эксплуатации входящих в них отдельных космических аппаратов (КА).

В соответствии с этим обстоятельством Федеральным космическим агентством к конструкторским бюро отрасли, создающим телекоммуникационные, метеонавигационные, патрульно-дежурные, для нужд разведки и др. важные космические системы, предъявляются требования о доведении сроков активного существования (САС) создаваемых КА в ближайшее время до 10 - 15 лет и более.

Указанные требования, безусловно, распространяются и на дорогостоящие КА индивидуального назначения, учитывая исключительную насыщенность их радиоэлектронной и оптико-электронной аппаратурой новейших разработок (например, КА «Спектр-Р», созданный ФГУТТ «НПО им. С.А. Лавочкина»).

Существенным препятствием для достижения этих целей, безусловно, является электризация КА и те негативные процессы, которые она порождает.

В результате дифференциального заряжения элементов поверхности космического аппарата и объемного заряжения полимерных диэлектриков его внешней поверхности возникают поверхностные и объемные электростатические разряды, которые вызывают обратимые и необратимые отказы бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Такое сильное воздействие разрядов на работу бортовой электроники обусловлено как параметрами разрядных импульсов (скорость нарастания разрядного тока достигает Ю10 А/с), так и повышенной чувствительностью бортовой электроники к таким воздействиям. Это связано с тем, что развитие космической техники предполагает применение элементной базы обладающей повышенной степенью интеграции микросхем, большими функциональными возможностями, пониженным энергопотреблением, сниже-

нием массогабаритных параметров. Однако в той же степени растет чувствительность элементной базы электроники к воздействию электростатических разрядов (ЭСР).

Установлено, что источниками помех для бортовой электроники служат электростатические разряды, а основными рецепторами помех являются фрагменты бортовой кабельной сети, проложенные по внешней поверхности космических аппаратов.

Вопросам моделирования процессов электризации КА посвящен целый ряд работ таких авторов как: А.И. Акишин, JI.C. Новиков, JI.H. Кечиев, В.Ю. Кириллов, B.C. Саенко А.Б., Соколов, Е.П. Морозов, В.А. Иванов, А.П. Тютнев, Е.Д. Пожидаев, А.Н. Доронин, И.А. Смирнов, и др. Настоящая работа делает следующий шаг в решении задачи снижения негативных последствий эффектов электризации космических аппаратов.

Поскольку научно-обоснованным выбором материалов внешней поверхности полностью исключить электростатические разряды не удается, необходимо создать метод и соответствующее программное обеспечение, позволяющее на этапе эскизного проектирования космического аппарата проводить расчеты наводок в бортовой кабельной сети от ЭСР. В этом случае в технических заданиях на разработку электронных блоков БРЭА будут заложены величины наводок, при которых эти электронные блоки должны сохранять свою работоспособность. Указанные мероприятия повышают стойкость КА к воздействию факторов электризации, тем самым увеличивая срок их активного существования, поэтому выбранная тема диссертационной работы является актуальной.

Цель диссертационной работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является повышение стойкости космической бортовой аппаратуры к поражающим факторам электризации за счет разработки метода определения наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов.

Для достижения поставленной цели было необходимо последовательно решить следующие задачи:

1. Провести обзор и анализ существующих методов и программных продуктов для моделирования процессов электризации космических аппаратов и сформулировать целевую задачу.

2. Создать метод расчета наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов на основе структурного электрофизического моделирования. Разработать математическое обеспечение метода и расчетный алгоритм, основанный на методе конечных разностей.

3. Разработать расчетные алгоритмы метода и создать программное обеспечение для вычисления величины наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов.

4. Выполнить экспериментальную проверку созданного метода расчета наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов и внедрить метод в процесс проектирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры космической техники.

Научная новизна

1. Создан метод расчета уровней помех в БКС, состоящий в последовательном представлении космического аппарата эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами, выявлении картины растекания токов по конструкции КА, и, наконец, вычислении на этой основе величин помех на входе БРЭА КА, и отличающийся от известных повышенной точностью за счет введения экспериментально определяемого коэффициента трансформации.

2. Разработаны два основных и ряд дополнительных алгоритмов для реализации созданного метода. Первый алгоритм основан на методе конечных разностей и на системе гиперкомплексных чисел и предназначен для расчета и визуализации картины растекания токов по конструкции КА в результате ЭСР, второй алгоритм используется для расчета величины наводок во фрагментах БКС, проложенных по поверхности этого КА.

3. Для экспериментальной проверки созданного метода расчета наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов разработана структурная

электрофизическая модель стенда-электроаналога конкретного КА и выполнены сравнительные исследования разработанного расчетного метода с экспериментально полученными величинами наводок.

Практическая значимость

1. На базе новых информационных технологий разработано программное обеспечение, позволяющее в диалоговом режиме работы с ПК проводить расчеты наводок в бортовой кабельной сети КА от ЭСР на его поверхности. На указанное программное обеспечение «8а1е11ке-М1ЕМ» получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2007614835.

2. Разработано оригинальное устройство для определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по этим элементам. Патенты № 75477 от 10.08.2008 г., № 2378657 от 10.01.2010 г.

3. Предложенный метод расчета уровней помех в БКС с использованием ПО «БаГеПке-МГЕМ» в вариантах, адаптированных для расчета конкретных КА, внедрен в производство изделий космической техники на ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и НПО им. С.А. Лавочкина. С его помощью были проведены расчеты электромагнитных помех в БКС КА Монитор-Э, Казсат-2, Спектр Р.

На защиту выносится

1. Метод определения наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов, основанный на структурном электрофизическом моделировании и использующий в качестве основного расчетного параметра экспериментально определяемый коэффициент трансформации тока, протекающего по корпусу аппарата, в напряжение наводки во фрагменте БКС.

2. Два основных алгоритма для реализации метода, предназначенного для расчета величины наводок в БКС, на входах блоков БРЭА космических аппаратов от электростатических разрядов. Первый алгоритм основан на методе конечных разностей и на системе гиперкомплексных чисел и предназначен для расчета и

визуализации картины растекания токов по конструкции КА в результате ЭСР, второй алгоритм используется для расчета величины наводок во фрагментах БКС, проложенных по поверхности этого КА.

3. Результаты экспериментальной проверки созданного метода определения наводок в бортовой кабельной сети на стенде-электроаналоге конкретного КА с проложенными по его поверхности фрагментами штатной БКС.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы и ПО «Sat-ellite-MIEM», в вариантах адаптированных для расчета конкретных КА, внедрены в производство изделий космической техники на ГКНПЦ им. М.В. Хруни-чева и НПО им. С.А. Лавочкина. С его помощью были проведены расчеты наводок в БКС КА Казсат-2, Спектр Р.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 16, 17, 18 и 21 Международных совещаниях и конференциях «Радиационная физика твердого тела», г. Севастополь, 2006, 2007, 2008, 2011 г.г. Результаты представлены на международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии», г. Пенза, 2008 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в т. ч. 4 статьи (из них 3 статьи в журналах, включенных в список ВАК) и 5 докладов на Международных конференциях и совещаниях. Получены два патента, программное обеспечение, созданное в рамках работы над диссертацией, прошло государственную регистрацию.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы — 138 с. В приложение к диссертационной работе вынесено руководство пользователя, объемом — 63 с.

Содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, обоснована практическая значимость темы диссертации, сформулированы цели исследования, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе диссертации выполнен анализ существующих методов и программных продуктов для моделирования процессов электризации космических аппаратов, наводки на Б КС и другие элементы БРЭА.

Анализ программного обеспечения не выявил наличия на доступном рынке качественных продуктов, ориентированных на решение целевой задачи. Зарубежное программное обеспечение имеет как правило сложный интерфейс, ориентированный на решение задач широкого спектра. Ввиду значительной избыточности функционала, сложности использования и освоения, а главное наличия лишь косвенных методов решения поставленной задачи - использование данного ПО представляется нецелесообразным, в том числе и по финансовым соображениям.

Поэтому в диссертационной работе поставлена задача повышения стойкости бортовой аппаратуры к поражающим факторам электризации, за счет разработки метода определения наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов с целью последующего проектирования БРЭА КА стойкой к этим наводкам.

Во второй главе диссертации приведено описание созданного метода расчета наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов на основе структурного электрофизического моделирования.

Для представления космического аппарата эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами необходимо:

I. Построить координатную сетку на корпусе аппарата и навесных элементах. Вид ее определяется геометрией аппарата. Для плоских поверхностей используется декартова система координат, для цилиндрической поверхности цилиндрическая система, а для сферы - сферическая система координат.

2. Построенная сетка разбивает поверхности аппарата на отдельные сегменты. Каждый сегмент представляется элементарной подсхемой с учетом электрофизических характеристик используемого материала и геометрии сегмента.

3. Все элементарные подсхемы объединяются в одну общую схему, при этом ЭСР представляются в виде источников тока, подключенных к соответствующим узлам этой схемы.

4. Одной из основных задач при моделировании аппаратов является расчет величин сопротивлений и индуктивностей каждого сегмента, а также взаимных емкостей отдельных элементов конструкции.

Основная философия метода элементов с сосредоточенными параметрами заключается в том, что элементы структуры КА могут быть представлены в электрической цепи, состоящей из Я, Ь и С компонентов. Геометрия КА рассматривается в качестве группы или блоков, объединенных в узлы внутри электрических цепей. Эти модели могут быть как простыми, так и сложными, в зависимости от требований моделирования.

Однако для того, что приближение с элементами с сосредоточенными параметрами имело смысл, необходимо, чтобы значение самого большого элемента цепи было меньше, чем самая маленькая длина волны, используемая в анализе. Для типичного ЭСР с длительностью фронта 3 не, это предполагает, что расстояние между двумя последовательными узлами не будет превышать 0,1 м для того, чтобы гарантировать соблюдение квазистатического допущения.

В работе представлена база данных по представлению характерных элементов конструкции КА элементами эквивалентной электрической схемы. Основные элементы этой базы данных представлены в таблице 1.

Таблица 1.

В третьей главе представлены два основных и ряд дополнительных алгоритмов для реализации ПО, предназначенного для расчета величины наводок в БКС космических аппаратов от электростатических разрядов.

Первый основной алгоритм представлен на рис.1. Он основан на методе конечных разностей и на системе гиперкомплексных чисел и предназначен для расчета и визуализации картины растекания токов по конструкции КА в ре-

зультате ЭСР. Второй алгоритм представлен на рис. 2. Он используется для расчета величины наводок во фрагментах БКС, проложенных по поверхности этого КА.

Кроме того, представлено общее описание созданного программного обеспечения «8а1е1Ше-М1ЕМ», а так же рассмотрен ряд задач, решенных на этапе разработки. «8а1е11ке-М1ЕМ» - это программное обеспечение (ПО) нового поколения, основанное на разработанных в диссертации алгоритмах и предназначенное для расчета величины наводок во фрагментах БКС, проложенных по внешней поверхности космических аппаратов (КА). Внешний вид интерфейса ПО «8а1е11ке-М1ЕМ» представлен на рис. 3. Расчет в ПО «8а1е11ке-М1ЕМ» состоит из двух основных этапов: расчета картины растекания токов по конструкции КА в результате ЭСР и расчета величины наводок во фрагментах БКС.

На первом этапе, для анализа переходных токов ПО «8а1е11ке-М1ЕМ» синтезирует СЭМ на базе заданной полигональной ЗБ-модели КА. Полигональная модель состоит из совокупности элементарных фигур — треугольников или прямоугольников, преобразуемых средствами программы в поверхностную сетку: совокупность связанных узлов. Каждая связь (ветвь) представляется в виде Я, Ь, С элементов электрической цепи, в целом образующих эквивалентную электрическую схему поверхности КА.

Заключительным этапом является расчет наводки в кабеле. Пользователь, пользуясь инструментами, представленными в ПО «5а1е11ке-М1ЕМ», самостоятельно указывает положения кабеля на поверхности модели КА. На основе картины растекания токов и указанного коэффициента трансформации (также указываемого в диалоговом окне ПО «8а1е11ке-М1ЕМ») происходит расчет наводки в кабеле в реальном времени.

В этой главе также рассматривается ряд задач решенных на этапе разработки ПО, таких как: многоэтапная оптимизация алгоритмов программы; применение «модульного программирования»; проблемы, решенные в рамках условно названного «второстепенного направления» (включающего интерфейс пользователя, систему верификации и некоторые другие направления).

Рис І. Основной алгоритм в обобщенном виде

Рис.2. Алгоритм расчета наводки во фрагменте БКС

tH Satellite-MIEM • Слектр-Р _ВІЬІІХ

Файл Редактировать Расчет Вид

Ъ • ЪФФ % «Е Vw§

Л иотоаднкША Поверхность <8 Структура

ІЛлицію O.OOs MOnt I O.tmks

Операция завершена._Узлов: 6016 поел, расчет: 6018 узлов за 00:22 (00:00100:22 )СТК: .94

Рис. 3. Внешний вид интерфейса ПО «Satellite-MIEM»

В четвертой главе диссертации выполнена экспериментальная проверка созданного метода расчета наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов и приведены результаты внедрения метода в процесс проектирования космической техники.

На предприятии-изготовителе космической техники было оборудовано рабочее место (РМ) представляющее собой стенд-электроаналог (СЭ) конкретного КА установленный на диэлектрической подставке на высоте 750 мм от пола. Все испытуемые штатные кабели были уложены в одну трассу по периметру верхней панели СЭ КА и подключены к контрольно - проверочной аппаратуре (КПА).

Перед началом испытаний, была проведена проверка электрических цепей испытуемых кабелей. Проверка показали целостность электрических цепей. РМ имеет места подключения к электросети, а также к шине заземления.

В радиусе 2 метров от объекта испытаний нет металлических конструкций. Объект испытаний - штатные кабели конкретного КА. В качестве КПА использовался осциллограф Tektronix TDS 2014 с блоком автономного питания Bask UPS CS 650 и испытательный генератор помех (ИГП-4) разработанный в МИЭМ с разрядным контуром и датчиком тока. Для передачи сигнала помех от испытуемых кабелей к регистрирующей аппаратуре использовался комплект измерительных кабелей с усиленной экранировкой длиной 6м, имеющих тройные экраны и защитные кожухи на разъемах. Штатные кабели были нагружены на имитаторы входных сопротивлений (ИВС) электронных блоков бортовой * радиоаппаратуры.

Для данного СЭ КА была разработана СЭМ электризации и проведены расчеты уровней помеховых сигналов в испытуемых штатных кабелях. Для этих штатных кабелей были определены коэффициенты трансформации тока, для использования в расчетной части СЭМ.

В таблице приведены результаты испытаний и результаты расчета по СЭМ. Видно, что погрешность расчета не превышает 30%.

Предложена методика использования разработанного ПО «Satellite-MIEM» в проектировании и производстве БРЭА для космической техники. Предполагается, что программное обеспечение нового поколения «Satellite-MIEM» адаптированное для расчета конкретного КА, будет использоваться до окончания срока активного существования этого КА. Такой длительный срок использования ПО «Satellite-MIEM» обусловлен необходимостью проведения экспертизы после каждого сколько-нибудь существенного сбоя в работе радиоэлектронной аппаратуры КА. В случае такого обратимого или необратимого отказа аппаратуры КА вполне оправданными будут следующие мероприятия. НИИЯФ МГУ проводит расчет потенциального рельефа поверхности КА для данной точки орбиты и времени отказа. На основе такого расчета определяется место и параметры возможного ЭСР. Далее проводится расчет с помощью ПО «Satellite-MIEM». Результатом этого расчета является величина импульсной наводки в БКС на входе электронного блока, в котором произошел отказ. Анализ результатов расчета должен выявить причину отказа электронного блока.

Таблица 2.

Сравнение результатов расчета уровней помех от ЭСР в штатных кабелях стенда-электроаналога конкретного КА, на входах блоков БРЭА, с результатами расчета помех от ЭСР по ПО «ЗаіеІШе-МІЕМ».

Це 1Ь Соединитель №№ контактов Напряжение между контактами разъемов штатных кабелей (мВ) при ЭСР с током I = 42 А Погрешность расчета по СЭМ, %

Измеренные значения Расчетные значения

1 «3/У15», ИВС5(1) 27-11 5400 6500 20,3

«8/У16-1», ИВС6(1) 27-11 5800 7200 24,1

2 «3/У15», ИВС5(2) 30-11 1500 1880 25,3

«8/У16-1», ИВС6(2) 30-11 1100 1400 27,7

3 «3/У15», ИВС5(3) 7,8-16 2700 3500 29,6

«8/У16-1», ИВС6(3) 7,8-16 1400 1700 21,4

В заключении сформулированы выводы по диссертационной работе в целом. В приложении к диссертационной работе приведено руководство пользователя

ПО «8а1е11ие-М1ЕМ».

Общие выводы

1.

МО

на

Выполнен анализ существующих методов и программных продуктов для делирования процессов электризации космических аппаратов и расчета водок в БКС КА при ЭСР. Анализ расчетных методов и доступного ПО не выявил наличия на рынке качественных продуктов, ориентированных на решение целевой задачи.

2. Создан метод определения наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов, основанный на структурном электрофизическом моделировании и использующий в качестве основного расчетного параметра экспериментально определяемый коэффициент трансформации тока, протекающего по корпусу аппарата, в напряжение наводки во фрагменте БКС.

3.

Разработаны два основных и ряд дополнительных алгоритмов для реализа-

ции созданного метода, предназначенного для расчета величины наводок в БКС космических аппаратов от электростатических разрядов. Первый алгоритм основан на методе конечных разностей и на системе гиперкомплексных чисел и предназначен для расчета и визуализации картины растекания токов по конструкции КА в результате ЭСР, второй алгоритм используется для расчета величины наводок во фрагментах БКС, проложенных по поверхности этого КА.

4. Разработано программное обеспечение нового поколения «Satellite-М1ЕМ», основанное на расчетных алгоритмах и позволяющее провести численный расчет величины помеховых сигналов во фрагментах БКС, проложенных по внешней поверхности КА. ПО «Sattellite-MIEM» является законченным самостоятельным приложением для операционных систем семейства Windows, не требующим знания сторонних программных продуктов. Результаты анализа используются ПО «Sattellite-MIEM» для формирования картины растекания токов по поверхности КА и последующего расчета наводок во фрагментах БКС на входе электронных блоков БРЭА.

5. Выполнена экспериментальная проверка созданного метода определения наводок в бортовой кабельной сети, на стенде-электроаналоге конкретного КА показавшая удовлетворительное (30%) совпадение расчетных и экспериментальных результатов.

6. Программное обеспечение «Satellite-MIEM» в вариантах, адаптированных для расчета конкретных КА, внедрено в производство изделий космической техники на ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и НПО им. С.А. Лавочкина. С его помощью на этапе эскизного проектирования были проведены расчеты электромагнитных наводок в БКС КА Монитор-Э, Казсат-2, Экспресс МД, Спектр Р.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях ( работы из перечня ВАК выделены жирным шрифтом):

1. Тютнев А.П., Ихсанов Р.Ш., Марченков К.В. К вопросу о существовании квазиравновесного режима электронного транспорта в полимерах. Труды ХУ1 Международного совещания «Радиационная физика твердого тела», 3-8 июля 2006 г., Севастополь, С. 208-213.

2. K.B. Марченков, А. Н. Дорофеев, A.B. Востриков, B.C. Саенко. Новое поколение программного обеспечения «Satellite-MIEM» для расчета наводок во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по внешней поверхности космических аппаратов Труды ХУ11 Международного совещания «Радиационная физика твердого тела», 30 июня - 5 июля 2007 г. Севастополь. С. 421-425.

3. Тютнев А.П., Ихсанов Р.Ш., Марченков К.В., Саенко B.C., Пожидаев Е.Д. Особенности дозовых эффектов в радиационной электропроводности полипиромеллитимида/Л Высокомолек. соед. А. 2008. Т. 50. № 4. С. 659-665.

4. Марченков К.В. Разработка программного обеспечения «Satellite-MIEM». НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. - 4.: МИЭМ, 2008. - С. 320 - 322.

5.

сиг

Марченков К.В., Соколов А.Б., Саенко B.C. Расчет величины помеховых vni залов во фрагментах бортовой кабельной сети космических летательных аппаратов // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007614835 от 23 ноября 2007 года. - Москва. - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

6.

Бабкин Г.В., Борисов Н.И., Марченков К.В., Саенко B.C., Соколов А.Б. Разработка алгоритма формирования структурной электрофизический модели космического аппарата на основе электрических схем, состоящих из фазовых параметрических макромоделей // Космонавтика и ракетостроение. - Москва, ЦНИИмаш. - Вып. 3(52). -2008. С.161-174.

7.

Марченков К.В., Соколов А.Б., Саенко B.C., Пожидаев Е.Д. Новое поколение программного обеспечения «Satellite-MIEM» для расчета наводок во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по внешней поверхности космических аппаратов // Технологии электромагнитной совместимости. - Москва, 2008. - № 1(24), С. 39-44.

8.

Агапов В.В., Марченков К.В., Саенко B.C., Соколов А.Б. 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. - Москва. - Федеральная служба по интеллек-'альной собственности, патентам и товарным знакам.

ту: 9.

Соколов А.Б., Марченков К.В. Программное обеспечение «Satellite-М1ЕМ» для расчета наводок во фрагментах бортовой кабельной сети космических аппаратов, возникающих при электростатических разрядах. «Современные информационные технологии» «Contemporary information technologies». Труды

международной научно-технической конференции, Пенза, 2008, Выпуск 7, с. 28-32.

10. Исханов Р.Ш., Соколов А.Б., Марченков К.В. Моделирование радиационной электропроводности полимеров, используемых во внешних диэлектрических покрытиях космических аппаратов //Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем». Выпуск 11 - МО, г. Лыткарино. -2009.-С. 171-172.

11. Марченков К.В, Соколов А.Б., Востриков A.B., Демиденко A.A. Оптимизация программного обеспечения «Satellite-MIEM» для расчета наводок во фрагментах бортовой кабельной сети космических аппаратов сложной геометрической формы. Радиационная физика твердого тела. Труды ХУШ международного совещания. Севастополь, 7-12 июля 2008г., с. 383-389.

12. Агапов В.В., Марченков К.В., Саенко B.C., Соколов А.Б., Способ определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети и устройство для его осуществления // Патент на изобретение № 2378657 от 10 января 2010 года. Москва. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

13. Марченков К.В. Оптимизация программного обеспечения «Satellite-MIEM» НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. - М.: МИЭМ, 2010. - С. 72 - 73.

14. Белик Г.А., Доронин А.Н., Марченков К.В. Новая концепция защиты космических аппаратов от эффектов электризации. Труды XXI Международной конференции «Радиационная физика твердого тела», 22-27 августа 2011 г., Севастополь, С. 451-455.

Подписано к печати" 16 " марта 2012 г. Отпечатано в отделе оперативной полиграфии МИЭМ. Москва, ул. М. Пионерская, д. 12. Заказ № 66 . Объем 1.0 п.л. Тираж 100 экз.

61 12-5/2936

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

Метод определения наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов на основе структурной электрофизической модели

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

На: эписи

Марченков Кирилл Витальевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор САЕНКО В.С.

Москва - 2012

Оглавление

Общая характеристика работы.............................................................................5

Глава 1. Обзор и анализ существующих методов и программных продуктов для моделирования процессов электризации космических аппаратов. Постановка задачи диссертационного исследования...................11

1.1.Введение. Электризация космических аппаратов. Общие положения.... 11

1.2.Результаты натурных экспериментов и лабораторного моделирования электризации К А..................................................................................................15

1.3.Образование импульсных помех во фрагментах бортовой кабельной сети (БКС), проложенных по внешней поверхности КА от ЭСР...........................18

1.4.Внутренняя электризация БРЭА КА. Разряды в блоках электроники.....20

1.5.Мощные наводки в БКС, вызывающие сбои в работе или выгорание отдельных элементов в блоках электроники.................................22

1.6.Программное обеспечение для моделирования воздействия поражающих факторов электризации на работу КА.......................................24

Выводы по главе 1...............................................................................................28

Глава 2. Метод расчета наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов на основе структурного электрофизического моделирования.................................................................29

2.1.Моделирование электризации КА в околоземной плазме........................29

2.2.Разработка способов представления характерных элементов космических аппаратов элементами структурной электрофизической модели...................................................................................................................36

2.3.Характеристики электростатического разряда...........................................38

2.4.Представление характерных элементов конструкции КА частными эквивалентными схемами из сосредоточенных элементов.............................42

2.5.Метод расчета наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов на основе структурного электрофизического моделирования.................................................................46

Выводы по главе 2...............................................................................................49

Глава 3. Разработка расчетных алгоритмов метода и создание программного обеспечения «8а1е11ке-М1ЕМ» для вычисления величины наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов.............................................................................50

3.1.Введени е.........................................................................................................50

3.2.Разработка обобщенного алгоритма работы ПО «8а1е1Ше-М1ЕМ».........51

3.3.Разработка алгоритма импорта геометрической модели КА....................56

3.4.Разработка алгоритма формирования массива данных для синтеза СЭМ..59

3.5.Обработка результатов анализа от внешнего расчетного ядра ПО «Р8рюе»................................................................................................................65

3.6.Раскраска элементов поверхности КА. Зависимость яркости каждого канала от расчетной величины тока..................................................................66

3.7.Математическое обеспечение метода и расчетный алгоритм, основанный на методе конечных разностей. Разработка алгоритма расчета наводки во фрагменте БКС, проложенном по поверхности КА.........................................69

3.8.Дополнительные возможности....................................................................71

3.9.Интерфейс пользователя...............................................................................74

3.10. Визуализация ЗБ-модели, основанная на системе гиперкомплексных чисел ...................................................................................................................80

3.11. Верификация данных..............................................................................90

3.12. Разработка и оптимизация ПО...............................................................93

3.13. Возможность подключения альтернативных математических ядер. 97

3.14. Пример работы с ПО «Satellite-МШМ»................................................98

3.14.1. Основные этапы работы с ПО «Satellite-MIEM».......................98

3.14.2. Подключение внешнего расчетного ядра (данная настройка выполняется один раз)................................................................................102

3.14.3. Расчет картины растекания тока................................................104

3.14.4. Расчет наводки в кабеле..............................................................109

3.14.5. Расчет наводки для второго кабеля...........................................111

Выводы по главе 3.............................................................................................112

Глава 4. Экспериментальная проверка разработанного метода расчета наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов и результаты внедрения метода в процесс проектирования бортовой радиоэлектронной

аппаратуры космической техники...................................................................113

Выводы по главе 4.............................................................................................122

Общие выводы...................................................................................................123

Список литературы............................................................................................125

Приложение А

Справка об использовании в ГКНПЦ им. М.В. Хруничева результатов диссертационной работы

Приложение Б

Руководство пользователя ПО «8а1е1Ше-М1ЕМ»

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации

В настоящее время развитие космической техники отечественного производства идёт по линии создания целевых группировок, важнейшим критерием эффективности которых является обеспечение длительных сроков эксплуатации входящих в них отдельных космических аппаратов (КА).

В соответствии с этим обстоятельством Федеральным космическим агентством к конструкторским бюро отрасли, создающим телекоммуникационные, метеонавигационные, патрульно-дежурные, для нужд разведки и др. важные космические системы, предъявляются требования по доведению сроков активного существования (САС) создаваемых КА в ближайшее время до 10-15 лет и более.

Указанные требования, безусловно, распространяются и на дорогостоящие КА индивидуального назначения, учитывая исключительную насыщенность их радиоэлектронной и оптико-электронной аппаратурой новейших разработок (например, КА «Спектр-Р», созданный ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина»).

Существенным препятствием для достижения этих целей являются электризация КА и те негативные процессы, которые она порождает.

В результате дифференциального заряжения элементов поверхности космического аппарата и объемного заряжения полимерных диэлектриков его внешней поверхности возникают поверхностные и объемные электростатические разряды, которые вызывают обратимые и необратимые отказы бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Такое сильное воздействие разрядов на работу бортовой электроники обусловлено как параметрами разрядных импульсов (скорость нарастания разрядного тока достигает Ю10 А/с), так и повышенной чувствительностью бортовой электроники к

5

таким воздействиям. Это связано с тем, что развитие космической техники предполагает применение элементной базы, обладающей повышенной степенью интеграции микросхем, большими функциональными возможностями, пониженным энергопотреблением, снижением массогабаритных параметров. Однако в той же степени растет чувствительность элементной базы электроники к воздействию электростатических разрядов (ЭСР).

Установлено, что источниками помех для бортовой электроники служат электростатические разряды, а основными рецепторами помех являются фрагменты бортовой кабельной сети, проложенные по внешней поверхности космических аппаратов.

Вопросам моделирования процессов электризации К А посвящен целый ряд работ таких авторов, как: А.И. Акишин, JI.C. Новиков, J1.H. Кечиев, В.Ю. Кириллов, B.C. Саенко А.Б., Соколов, Е.П. Морозов, В.А. Иванов, А.П. Тютнев, Е.Д. Пожидаев, А.Н. Доронин, И.А. Смирнов и др. Настоящая работа делает следующий шаг в решении задачи снижения негативных последствий эффектов электризации космических аппаратов.

Поскольку научно-обоснованным выбором материалов внешней поверхности полностью исключить электростатические разряды не удается, необходимо создать метод и соответствующее программное обеспечение, позволяющее на этапе эскизного проектирования космического аппарата проводить расчеты наводок в бортовой кабельной сети от ЭСР. В этом случае в технических заданиях на разработку электронных блоков БРЭА будут заложены величины наводок, при которых эти электронные блоки должны сохранять свою работоспособность. Указанные мероприятия повышают стойкость КА к воздействию факторов электризации, тем самым увеличивая срок их активного существования, поэтому выбранная тема диссертационной работы является актуальной.

Цель диссертационной работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является повышение стойкости космической бортовой аппаратуры к поражающим факторам электризации за счет разработки метода определения наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов.

Для достижения поставленной цели было необходимо последовательно решить следующие задачи:

1. Провести обзор и анализ существующих методов и программных продуктов для моделирования процессов электризации космических аппаратов и сформулировать целевую задачу.

2. Создать метод расчета наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов на основе структурного электрофизического моделирования. Разработать математическое обеспечение метода и расчетный алгоритм, основанный на методе конечных разностей.

3. Разработать расчетные алгоритмы метода и создать программное обеспечение для вычисления величины наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов

4. Выполнить экспериментальную проверку созданного метода расчета наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов и внедрить метод в процесс проектирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры космической техники.

Научная новизна

1. Создан метод расчета уровней помех в БКС, состоящий в последовательном представлении космического аппарата эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами, выявлении картины растекания токов по конструкции КА и, наконец, вычислении на этой основе величин помех на входе БРЭА КА, отличающийся от известных методов

повышенной точностью за счет введения экспериментально определяемого коэффициента трансформации.

2. Разработаны два основных и ряд дополнительных алгоритмов для реализации созданного метода. Первый алгоритм основан на методе конечных разностей и на системе гиперкомплексных чисел и предназначен для расчета и визуализации картины растекания токов по конструкции КА в результате ЭСР. Второй алгоритм используется для расчета величины наводок во фрагментах БКС, проложенных по поверхности этого КА.

3. Для экспериментальной проверки созданного метода расчета наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов разработана структурная электрофизическая модель стенда-электроаналога конкретного КА и выполнены сравнительные исследования разработанного расчетного метода с экспериментально полученными величинами наводок.

Практическая значимость

1. На базе новых информационных технологий разработано программное обеспечение, позволяющее в диалоговом режиме работы с ПК проводить расчеты наводок в бортовой кабельной сети КА от ЭСР на его поверхности. На указанное программное обеспечение «8а1е1Ше-М1ЕМ» получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2007614835.

2. Разработано оригинальное устройство для определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по этим элементам. Патенты № 75477 от 10.08.2008 г., № 2378657 от 10.01.2010 г.

3. Предложенный метод расчета уровней помех в БКС с использованием ПО

«8а1е1Ше-М1ЕМ» в вариантах, адаптированных для расчета конкретных КА,

внедрен в производство изделий космической техники на ГКНПЦ им.

М.В. Хруничева и НПО им. С.А. Лавочкина. С его помощью были

8

проведены расчеты электромагнитных помех в БКС КА Монитор-Э, Казсат-2, Спектр Р.

На защиту выносятся

1. Метод определения наводок в бортовой кабельной сети космических аппаратов от электростатических разрядов, основанный на структурном электрофизическом моделировании и использующий в качестве основного расчетного параметра экспериментально определяемый коэффициент трансформации тока, протекающего по корпусу аппарата в напряжение наводки во фрагменте БКС.

2. Два основных алгоритма реализации метода, предназначенного для расчета величины наводок в БКС на входах блоков БРЭА космических аппаратов от электростатических разрядов. Первый алгоритм основан на методе конечных разностей и на системе гиперкомплексных чисел и предназначен для расчета и визуализации картины растекания токов по конструкции КА в результате ЭСР. Второй алгоритм используется для расчета величины наводок во фрагментах БКС, проложенных по поверхности этого КА.

3. Результаты экспериментальной проверки созданного метода определения наводок в бортовой кабельной сети на стенде-электроаналоге конкретного КА с проложенными по его поверхности фрагментами штатной БКС.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты работы и ПО «8а1е11ке-М1ЕМ» в вариантах, адаптированных для расчета конкретных КА, внедрены в производство изделий космической техники на ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и НПО им. С.А. Лавочкина. С его помощью были проведены расчеты наводок в БКС КА Казсат-2, Спектр Р.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 16, 17, 18 и 21 Международных совещаниях и конференциях «Радиационная физика твердого тела», г. Севастополь, 20062008, 2011 гг. Результаты представлены на международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии», г. Пенза, 2008 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в т. ч. 4 статьи (из них 3 статьи в журналах, включенных в список ВАК) и 5 докладов на Международных конференциях и совещаниях. Получены два патента, программное обеспечение, созданное в рамках работы над диссертацией, прошло государственную регистрацию.

Структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы - 138 с. В приложение к диссертационной работе вынесено руководство пользователя объемом 63 с.

Глава 1. Обзор и анализ существующих методов и программных продуктов для моделирования процессов электризации космических аппаратов. Постановка задачи диссертационного исследования

1.1. Введение. Электризация космических аппаратов. Общие

положения

В настоящее время развитие космической техники отечественного производства идёт по линии создания целевых группировок, важнейшим критерием эффективности которых является обеспечение длительных сроков эксплуатации входящих в них отдельных космических аппаратов СКА).

В соответствии с этим обстоятельством Федеральным космическим агентством (ФКА) к КБ отрасли, создающим телекоммуникационные, метеонавигационные, патрульно-дежурные, для нужд разведки и другие важные космические системы, предъявляются требования о доведении сроков активного существования (САС) создаваемых КА в ближайшее время до 10-15 лет и более.

Однако указанные требования, безусловно, распространяются и на дорогостоящие КА индивидуального назначения, учитывая исключительную насыщенность их радиоэлектронной и оптико-электронной аппаратурой новейших разработок (например, КА «Спектр-Р», созданный ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина»).

Электризация КА, работающих на геостационарной орбите и высокоэллиптических орбитах, привела к сбоям в работе и отказам систем

К А еще в конце 60-х годов прошлого столетия. В это время многие исследователи начали работать над проблемой электризации КА с целью минимизации ее негативных последствий.

Было установлено, что в магнитосфере Земли на ночной стороне КА приобретает отрицательный потенциал порядка единиц киловольт при геомагнитных возмущениях (суббурях), вызванных вспышками на Солнце.

К основным факторам, приводящим к электризации, следует отнести потоки электронов и ионов околоземной космической плазмы, жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, вакуум, термоциклирование. Воздействие перечисленных факторов на материалы внешней поверхности космического аппарата вызывает обильную вторичную электронную эмиссию и фотоэмиссию, температурн�