автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Методика и средства оценки воздействия электромагнитного поля электростатического разряда на бортовую аппаратуру космических аппаратов

На правах рукописи

КОСТИН АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

МЕТОДИКА И СРЕДСТВА ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА НА БОРТОВУЮ АППАРАТУРУ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 СЕН 2015

005562365

Самара 2015

005562365

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева» (национальный исследовательский университет) (СГАУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Пиганов Михаил Николаевич

Официальные оппоненты:

Никулин Сергей Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Компьютерные технологии в проектировании и производстве» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева»); Тамбовцев Владимир Иванович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Инфокоммуникационные технологии» ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» - национальный исследовательский университет (ЮУрГУ)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж

Защита состоится « 16 » октября 2015 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д219.003.01 в Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ) по адресу:

443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГУТИ и на сайте: http://www.psuti.ru

Автореферат разослан « » августа 2015г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических

наук

О.'

О.И. Антипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

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

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

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

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

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

Проблеме электризации космических аппаратов, возникновению ЭСР и их воздействия на электронную аппаратуру, как наземного, так и бортового базирования посвящены многочисленные работы отечестве1шых и зарубежных ученых. В нашей стране этим проблемам посвящены работы ученых: Бабкина Г.В., Саенко B.C., Пожидаева Е.Д., Кечиева Л.Н., Морозова Е.П., Кириллова В.Ю., Акишина А.И., Новикова Л.С., Тютнева А.П., Соколова А.Б., Тамбовцева В.И. и др., а среди зарубежных специалистов - работы Фредериксон А., Боде М., Грин Н., Бокслейтера В., Барнса Дж., Уайта Дж., Отта Г.. В области теории и практики обеспечения стойкости электронных средств к внешним электромагнитным воздействиям большой вклад внесли отечественные ученые: Балюк Н.В., Кириллов В.Ю., Мырова Л.О., Комягин С.И., Никулин С.А. и др.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна

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

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

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

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

электризации, степень опасности помех и обеспечивающий более достоверные результаты конструирования.

5. Получены новые результаты измерения уровней помех в цепях БА КА, вызванных ЭМП ЭСР, на основе разработанной методики, что позволило выработать научно-обоснованные рекомендации но применению различных методов защиты БА.

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

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

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

3. Реализованная методика исследования позволила проверить и оценить эффективность наиболее распространённых конструктивных методов защиты БА КА.

4. Проведённое моделирование схемотехнических методов защиты БА от помех позволило сформулировать рекомендации по их применению в БКС конкретных КА.

Основные положения, выносимые на защиту

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

2. Математическая модель ЭМП внутри однородного корпуса БА КА в условиях воздействия ЭСР и результаты моделирования схемотехнических методов защиты.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели исследования, научная новизна и практическая значимость.

В первом разделе проводится анализ ранее проведённых исследований в области влияния ЭМП, вызванного ЭСР на БА КА. Проведён обзор наиболее применяемых методов снижения пагубного влияния ЭМП, вызванного ЭСР, на БА КА. В процессе анализа было установлено, что механизм влияния ЭМП, вызванного ЭСР, главным образом, заключается в наведении помех в цепях БА КА и БКС, которые вызывают как сбои, так и необратимые отказы электрорадиоизделий (ЭРИ). Наряду с этим ЭМП может влиять на ЭРИ, вызывая похожие отказы, кроме того, токи, протекающие по элементам конструкции, могут вызывать дополнительный нагрев БА КА. Что касается вопросов воздействия ЭМП на ЭРИ, то это вопрос отдельных исследований и касается разработчиков последних. Если ЭМП может повлиять на ЭРИ, то необходимо допустимые значения поля приводить в технических условиях на ЭРИ. На основе проведённого анализа сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы. Выбраны методы защиты, которые будут подвергаться исследованиям, а именно:

- типовой корпус БА КА как электромагнитный экран (без дополнительных мер по обеспечению непрерывности экранирования);

- металлизированные крышки для незадействованных соединителей;

- экранирование электропроводящей тканью;

- схемотехнические методы защиты от помех в БКС.

Перед началом исследования принято решение провести измерение характеристик импульсов помех, наводимых в цепях БА КА, для оценки их опасности и обоснованности применения каких-либо методов вообще.

Во втором разделе приводится описание разработанной методики расчёта характеристик импульса помехи, учитывающей сопротивление, вносимое из цепи разряда, и обеспечивающей оценку влияния нагрузки цепей БА КА на амплитуду и форму импульса помехи, а также степень опасности помех для функциональных узлов. Методика включает следующие основные этапы: расчёт ЭМП, созданного ЭСР; выявление цепей, которые мо1лт быть восприимчивыми к помехам; расчёт поля, воздействующего на эти цепи; расчёт ЭДС помех в этих цепях с использованием закона Фарадея; если есть вероятность пагубного влияния помех на функциональные узлы БА КА, входящие в выявленные цени, то составляется эквивалентная схема выявленных цепей с учётом воздействия помех и сопротивления, вносимого из цепи ЭСР, моделируется напряжение на нагрузке цепей и работа функционального узла. Если функциональный узел способен выполнять свои функции в условиях воздействия помехи и полезного сигнала, то он является устойчивым к ЭМП ЭСР.

Цепи БА КА представляют собой токовые контуры, состоящие из источника нагрузки, прямого (сигнального) и возвратного (общего) проводов. В соответствии с законом Фарадея и учитывая выражение для потока вектора магнитной индукции В (магнитного потока) можно записать формулу для ЭДС помехи, наводимой в контуре под действием ЭМП ЭСР

е(1) = = (1)

где //0- магнитная постоянная;// - относительная магнитная проницаемость (для вакуума и воздуха равна единице); Н - вектор напряжённости магнитного поля; 5 -

площадь, которую охватывает этот контур; - элементарная площадка; (- время.

ЭМП ЭСР может воздействовать на цепи БА КА через отверстия в корпусе (неоднородности) и приходить через БКС. Помехи в БКС наводятся также под действием ЭМП ЭСР, воздействуют на входы и выходы БА КА и могут привести к сбоям и необратимым отказам. Кроме того, ток помехи, попавшей внутрь БА КА, будет создавать переменное магнитное поле, которое будет воздействовать на другие электрические цепи напрямую к БКС не подключенные.

Было посчитано, что при воздействии ЭСР типовой формы на токовый контур размером 100x100 мм, расположенный на расстоянии 50 мм от дуги в свободном пространстве, амплитуда импульса ЭДС индукции достигает значения 153,5 В. Параметры импульса тока ЭСР следующие: значение амплитуды 100 А, длительность 1 мке по уровню 0,5, длительность переднего фронта 1 не по уровню 0,1-0,9. Длина дуги разряда равна 6,3 мм (воздушный разряд при разности потенциалов 20 кВ).

На нагрузке будут совсем другие импульсы ввиду влияния импеданса самой цепи БА КА, корпуса и даже разрядной цепи. Последние вносятся в цепи БА КА. Учесть эти вносимые сопротивления можно, если рассматривать все вышеперечисленные цепи как связанные взаимной индуктивностью и ёмкостью. Для учёта сопротивления, вносимого из цепи ЭСР, предлагается использовать модель цепей с взаимной индуктивностью. Согласно этой модели цепи ЭСР и БА КА индуктивно связаны. Значение взаимной индуктивности может быть найдено по определению или из известного значения ЭДС помехи. Напряжение на нагрузке будет представлять сложные затухающие колебания — результат суперпозиции сигналов нескольких

колебательных систем. Колебания в последних вызываются воздействием импульса ЭДС индукции как в генераторе с ударным возбуждением. Такое колебание представлено на рисунке 1.

Поскольку цепи БА КА можно представить в виде токовых контуров, то они являются магнитными антеннами. Следовательно на БА КА будет влиять магнитное поле ЭСР. Если применяются методы электрического экранирования, то ослабляться магнитное поле может только посредством вихревых токов. На низкой частоте эффективность такого экрана незначительная. Поскольку большая часть энергии импульса ЭСР сосредоточена в области низких частот спектра, то следует ожидать низкой эффективности экранирования типового корпус БА КА и различных методов защиты, приведённых выше. Ситуацию усугубляет, тот факт, что сам корпус БА КА, в основном, изготавливается из немагнитных металлов, имеет множество неодпородностей в виде отверстий и щелей.

1ГО*У

г<л»<

си-

-200»V

-4Û0«V-

№ О.гт С lus 0.6u; û.8u, I .Ous l.ïnj l lu, i.6u< I Нал ï. Ou,

Ti«

Рисунок 1. Свободные колебания в системе связанных контуров

Из формулы (1) следует, что амплитуда импульса ЭДС, а, следовательно, и напряжения на нагрузке электрической цепи, пропорциональна площади, которую охватывает контур. Таким образом, помеху можно уменьшить, если приблизить прямой провод к возвратному и уменьшить длины этих проводов. Также, во втором разделе описывается построенная математическая модель ЭМП внутри однородного корпуса БА КА в условиях воздействия ЭСР, которая справедлива для квазистационарного поля и позволяет повысить точность расчётов. На сегодняшней день разработаны модели ЭМП внутри однородного экрана в условиях воздействия электрического и магнитного полей. Модели ЭМП внутри однородных экранов в условиях воздействия прямого ЭСР развиты слабо. В настоящей работе предлагается именно такая модель.

Для построения модели была рассчитана картина растекания токов по поверхности корпуса от точки приложения ЭСР до точки металлизации БА КА. Затем определялся ток, текущий по внутренней поверхности корпуса. Поле в металлах быстро затухает, но проникает внутрь корпуса. Для построения модели растекания токов использовался метод декомпозиции. Корпус разбивался на элементарные параллелепипеды. Параллелепипед представлялся в виде элементарной электрический цепи с сосредоточенными параметрами. Элементарные электрические цепи объединялись в общую цепь - эквивалентную схему корпуса. Эта схема

i i

i i

itj! !■ ■ ' ;Т i i ' ; > ;

1|Н| !| ! |{ i

jji| |j(| fi; j ',! • : • j ' j

î|if {¡Л ||tj{|j[ fljj ,_> p.¡5 i r ' '• > ; t jjttn i

|j!| !; >' .• ' . T < ! ■ Ш « t ,...

î' jjpir- ¡¡i,' h,' -..]; î in Ш Щ'Ш- Г i-1;! •• У H* * v y

iLî^fiiiKliil ¡i \

» • i, ... к... . î ! У

si i j 1 !" 1 j ,

il j ; 1 • i L L. i 4-

'M j î i i S

Il ! ; i ! Î ; i i 1 4 1 i î ï ! î -

; I • i | ; ;

рассчитывается методом теории цепей. Таким образом, определяется картина растекания токов. Токи на внутренней поверхности корпуса создают магнитное поле. Это поле определялось с использование закона Био-Савара-Лапласа

и

где R - модуль вектора, R , построенного от элементарной площадки dS до точки наблюдения; Тд - орт вектора я ; <5 - плотность тока, текущего по внутренней поверхности корпуса БА КА; S - внутренняя поверхность корпуса БА КА. В рассматриваемом случае производится приближённое вычисление и в формуле (2) знак интеграла можно заменить на знак суммы магнитных полей, созданных отдельными токами на фрагментах внутренней поверхности корпуса БА КА. Электрическое поле может быть найдено из магнитного.

В третьем разделе представлены результаты анализа и моделирования схемотехнических методов защиты БА от помех в БКС. Дан анализ способов снижения влияния помех в БКС на БА КА. Помехи в БКС формируются также, как в цепях БА КА, и экспериментально было установлено, что форма импульсов помех в БКС аналогична представленной на рисунке 2. Опишем импульс помехи следующим выражением

un(t) = U0(e"" + (3)

где U0 - амплитуда помехи; а и /? - коэффициенты, характеризующие время нарастания и спада огибающей помехи; co(t) - угловая частота гармонического колебания как функция времени; <р - начальная фаза гармонического колебания.

Экспериментально было установлено, что частота заполнения может изменяться в диапазоне от 20 до 250 МГц, а амплитуда может достигать 280 В в нсэкранированной линии. Спектр такого импульса представлен на рисунке 2. Из рисунка 2 видно, что спектр помехи перекрывает чрезвычайно широкий диапазон частот. Для подавления помех, вызванных ЭМП ЭСР, в высокоскоростных линиях применение частотных фильтров невозможно. Ситуацию усложнял тот факт, что амплитуда помехи значительно превышала амплитуду полезного сигнала.

! 1

!

;

h

ill

if ...

! i

1Г J i i i li | I !

! ! 1> 1 1 \ i L «1 i i i l «Ц

С 1 ■ и r li jf<H« 4 pi ii?

— i! \! i ?! i I j 111 Ml Hi !ii I ■¡ii If

i / i ! .i flip ;i j llSi i 11 W № i

«' ! t J1 j it M 1 1 1 ^ и ill * и 1 r 'It i :4 —

> i f j 1 ¡1 ■ ' i1 i 1 1

Ов! ИМИ ВОИ1! ISOffla IfiMttJ ЖШЬ зяошь

= WV5:t)

Fngmo

Рисунок 2. Спектр модели помехи в БКС

Для низкоскоростных линий и цепей с медленно меняющимися сигналами, шин питания и узкополосных сигналов, минимальная частота которых выше максимальной частоты спектра помехи, частотные фильтры могут быть применимы. БКС с медленно меняющимися сигналами и цепями питания защищать от помех не всегда обязательно. Это можег увеличить массу. В остальных случаях необходимо

экранирование или применение оптических линий. Ныло проведено моделирование частотного фильтра и диодного ограничителя. Результаты полностью подтверждают сделанные выше предположения.

В третьем разделе, также, предлагается метод расчёта мощности, рассеиваемой на корпусе БА КА при прямом ЭСР, учитывающий сопротивление корпуса БА КЛ между точкой приложения ЭСР и точкой металлизации и позволяющий определить степень повышения температуры корпуса (перегрев). Суть метода объясним на примере. Расчёт проводился для импульса тока ЭСР амплитудой 100 А и длительностью по уровню 0,5 - 1 мс. Это импульс с максимально возможной энергией. В процессе моделирования была получена зависимость комплексного сопротивления корпуса от частоты. При расчёте корпус разбивался на элементарные параллелепипеды и строилась эквивалентная цепь с сосредоточенными параметрами (также как в методике, описанной в разделе 2). Расчёт производился в диапазоне частот от 0 до 168,3 МГц, именно в нем заключена большая часть энергии импульса (не менее 99%). Расчёт производился методом теории цепей. Были рассчитаны зависимости силы тока и падения напряжения на корпусе от частоты. Затем найдено комплексное сопротивление по формуле

^ = - (4)

'к У К\ |j*r| I^A'I

Мощность, рассеиваемая на корпусе, была определена по формуле

где А' - число гармоник в рассматриваемом диапазоне частот (от 50 Гц до 168,3 МГц); Ipo - постоянная составляющая в спектре тока ЭСР; 1Р„ - амплитуда тока гармоники с номером п в спектре тока ЭСР; RK0 - сопротивление корпуса по постоянному току; RKn — активное сопротивление корпуса на гармонике номером п. Расчёты показали, что на сплошном корпусе с размерами 160x180x20 мм из алюминиевого сплава рассеивается мощность 54,38 мкВт. Большая часть рассеивается в местах болтовых соединений деталей корпуса. Было рассчитано, что при тепловыделении, равном даже I мВт, и при трёх вариантах отведения тепла (кондукцией и излучением со степенью черноты поверхностей 0,92 и 0,37) через основание размером 160x180 мм перегрев последнего не превышает 0,0203 К. Из этого следует, что при оценке теплового режима БА КА учитывать воздействие ЭСР нет смысла. Такой вывод хорошо согласуются с результатами многочисленных испытаний БА, при которых нарушений теплового режима при испытаниях зафиксировано не было.

В четвёртом разделе приводятся методика и результаты эксперимента, проводится качественное сравнение их с результатами разработанной ранее модели воздействия ЭСР на БА КА. Для проведения экспериментов было разработано три макета. Макеты двухблочного и одноблочного приборов с цилиндрическими соединителями, макет одноблочного прибора с прямоугольными соединителями. Конструкции макетов соответствуют типовой конструкции БА КА.

Детали корпуса макета были изготовлены из сплава АМг.6. Провода внутри макетов имитировали электрические цепи (антенны-приёмники помех). Имелись рамочные и вибраторные антенны (приёмники магнитного и электрического поля соответственно). Антенны подключаются к высокочастотным соединителям через коммутатор, каждая но отдельности или напрямую как в макете с прямоугольными соединителями. Через высокочастотный соединитель к антеннам подключался цифровой осциллограф. В каждом блоке макетов с цилиндрическими соединителями

было двенадцать антенн. Блоки были одинаковые. В макете прибора с прямоугольными соединителями было две антенны. Импульс ЭСР формировался специальным генератором электростатического разряда (ГЭР). У ГЭР имелись четыре оконечных устройства (излучатели).

На рисунке 3 представлена типовая форма импульса помехи в цепях БА КА. Сходство с расчётной моделью (рисунок 1) имеется достаточно сильное. Самые большие помехи вызвали разрядный наконечник и ёмкостная антенна, что весьма ожидаемо. В процессе анализа выяснилось, что в больших антеннах не всегда наблюдалось большее ЭДС. Это говорит о том, что поле внутри макета сильно неоднородно, как и предполагалось.

Было установлено, что амплитуды импульсов помех велики. При таких значениях амплитуд напряжений помех возможен не только сбой, но и выход из строя интегральных схем, особенно быстродействующих. При этом корпус не защищает от ЭМП ЭСР. Металлизированные крышки для незадействованных соединителей также практически не влияют на экранирующие свойства, если применены отдельно от комплексных мер по обеспечению целостности экранирования. В макете прибора с прямоугольными соединителями последние были демонтированы. Отверстия, оставшиеся после демонтажа, были заклеены электропроводящей лентой НИИКАМ-ЭПЛ-М. Результаты также показали бессмысленность таких частичных мер по экранированию. Все эти результаты были предсказаны в разделе 2. Далее этот же макет был накрыт двумя слоями металлизированной ткани арт. 56041 «М» ТУ 8378155-35227510-2008, используемой в матах экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ). На макет воздействовали ёмкостной антенной ГЭР. Измеряли помехи в антенне №1. Результаты сравнивались с результатами, полученными в предыдущих опытах для этого макета и этих антенн (приёмной и передающей). Сравнение показало, что эффективность экранирования увеличилась на 16,5 дБ. Это весьма примечательно, ведь экраны из ткани лёгкие и технологичные.

В пятом разделе описывается предложенный алгоритм разработки мер комплексной конструктивной защиты БА КА от факторов ЭСР, учитывающий наличие внутренней и внешней электризации, степень опасности помех и обеспечивающий более достоверные результаты конструирования. Блок-схема алгоритма представлена на рисунке 4.

Согласно разработанному алгоритму, в первую очередь, необходимо решить вопрос с внутренней и внешней электризацией БА КА (блоки 1-3). При внутренней электризации неметаллизированные детали и сборки в корпусе БА КА (особенно изоляторы) могут заряжаться до такой разности потенциалов, что возможен электрический пробой, то есть ЭСР внутри корпуса. Такие ЭСР опасны не только тем, что создают ЭМП. Возможны ЭСР в проводники и выводы электрорадиоизделий. Такие ЭСР могут вызвать сбой в работе, а иногда и необратимый отказ. Поэтому от внутренней электризации необходимо защищаться. На сегодняшний день имеется два основных метода защиты от внутренней электризации:

- Защита при помощи экрана определённой толщины, через который заряженные частицы проникать не будут (не хватит энергии). Недостатком первого метода является наличие массивных экранов для частиц.

- Второй метод основан на снижении омического сопротивления диэлектриков. В этом случае количество проникших частиц будет настолько мало, что эти частицы будут стекать на корпус через омическое сопротивление диэлектриков. Таким образом, при большем потоке заряженных частиц будет обеспечиваться их сток на корпус. Недостатком второго метода является наличие больших токов утечки полезных сигналов, поэтому автор настоящей работы считает, что в первую очередь стоит рассматривать первый (классический) метод.

Аналогично с внешней электризацией БА КА, но только экранов здесь не применяют, а электризацию исключают путём металлизации всех элементов конструкции или применения электропроводящих покрытий. Но сигнальных цепей здесь нет и недостатки в этом методе отсутствуют. Исключение составляет БА, в которой изоляционные материалы на внешней поверхности необходимы. Но такой аппаратуры на борту КА значительно меньше. Исключение внешней электризации приведёт к снижению вероятности возникновения ЭСР в корпус, весьма опасного для БАКА.

Следующим этапом следует решать вопрос защиты от ЭМП ЭСР (блоки 4-15). В первую очередь необходимо применять методы, позволяющие снизить помехи в цепях БА КА за счёт трассировки печатных плат и раскладки жгутов (блок 5). Этот метод не увеличивает массы и габаритов БА КА, незначительно ухудшает технологичность и весьма эффективен. В процессе исследований было установлено, что цепи БА КА можно рассматривать как токовые контуры, состоящие из источника сигнала, нагрузки, прямого и возвратного провода. Чем меньше площадь этого контура, тем меньше магнитный поток через этот контур, а, следовательно, и меньше ЭДС помехи.

Если этим методом добиться устойчивости БА КА к ЭМП ЭСР не удаётся, то необходимо применять экранирование (блок 9). Среди всех экранов достаточно неплохо показал себя многослойный экран из проводящей ткани. Этот экран достаточно технологичный, лёгкий и практически не увеличивает габариты БА КА. Если и это недостаточно, тогда необходимо применять электромагнитные экраны из металлов или магнитные из магнитных материалов. Поскольку цепи БА КА представляют собой токовые контуры, то они подвержены воздействию магнитного поля в первую очередь. Электромагнитный экран может оказаться неэффективным для защиты от магнитного поля, так как большая часть энергии импульса ЭСР сосредоточена в области низких частот. Тогда может помочь экран из ферромагнитного материала.

Если экран не помогает или он получается слишком тяжёлым, то необходимо установить Б А в местах КА, где уровень ЭМП ЭСР ниже (блок 12). То есть,

несколько изменить компоновку самог о КА. Если ничего из вышеперечисленного не привело БА к устойчивости, что практически никогда не бывает, то необходимо пересматривать тактико-технические характеристики (ТТХ) самого спутника, в том числе высоту орбиты и наклонение (блок 15). Но последнее практически никогда не требуется.

О о

AKLC8S ОЧСПОСТ» J**

10 3-V3 ХУ • Ы ¿А

¿»елм гжгсизст* вы»»* МЛ1 s доя* &А КА

-1-

12 [

m M "ÏV-A',".-." дв^тсв

Oo->A*9 ЕОДШ* 1КЖК WyTiw ТТХ KA -VJ-f

15 и др.]

Рисунок 4. Алгоритм разработки мер комплексной конструктивной защиты БА КА от факторов ЭСР

После перекомпоновки КА или изменения его ТТХ необходимо пересмотреть толщины экранов (блок 16-18), защищающих БА от внутренней электризации. Возможно, толщины экранов можно будет снизить, тем самым, уменьшить массу БА КА.

Разработанный алгоритм позволит оптимизировать действия разработчика для достижения наилучшего результата при разработке мер комплексной конструктивной защиты БА КА от факторов ЭСР.

В заключении приводятся основные результаты проделанной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика расчёта характеристик импульса помехи, учитывающая сопротивление, вносимое из цепи разряда, и обеспечивающая оценку влияния, нагрузки цепей БА КА на амплитуду и форму импульса помехи, а также степень опасности помех для функциональных узлов. Разработанная методика расчёта характеристик импульса помехи позволяет перейти к более достоверным проектным нормам реализации БА, оптимизировать её конструкцию в части устойчивости к ЭМП ЭСР без ухудшения массогабаритных параметров.

2. Предложен метод расчёта мощности, рассеиваемой на корпусе БА КА при прямом ЭСР, учитывающий сопротивление корпуса БА КА между точкой приложения ЭСР и точкой металлизации и позволяющий определить степень повышения температуры корпуса. Расчёты показывают, что степень повышения температуры корпусов БА КА за счёт ЭСР незначительна и учитывать её при проведении тепловых расчётов БА КА смысла не имеет.

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

4. Предложен алгоритм разработки мер комплексной конструктивной защиты БА КА от факторов ЭСР, учитывающий наличие внутренней и внешней электризации, степень опасности помех и обеспечивающий более достоверные результаты конструирования.

5. Получены новые результаты измерения уровней помех в цепях БА КА, вызванных ЭМП ЭСР, на основе разработанной методики, что позволило выработать научно-обоснованные рекомендации по применению различных методов защиты БА. Предложены варианты макетов аппаратуры, средств её защиты, методики расчёта позволили реализовать и внедрить новую методику экспериментальных исследований влияния ЭМП ЭСР на БА.

6. Проведённое моделирование схемотехнических методов защиты БА от помех позволили сформулировать рекомендации по их применению в БКС конкретных КА.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Костин A.B. Анализ методов защиты бортовой аппаратуры космических аппаратов от воздействия факторов электростатического разряда // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, 2011.- №7(31). С. 107112.

2. Костин A.B., Пиганов M.IL Расчёт помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электростатическими разрядами // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2012.Т.14. - №4(5). С. 13761379.

3. Костин A.B. Расчёт электромагнитного поля внутри однородных корпусов бортовой аппаратуры космических аппаратов в условиях воздействия электростатических разрядов II Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, 2012,- №7(38). С. 103-111.

4. Костин A.B. Расчёт мощности, рассеиваемой на корпусе бортовой аппаратуры космических аппаратов при прямом электростатическом разряде // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, 2014.- №2(44). С. 4755.

5. Костин A.B. Особенности наземных испытаний бортовой аппаратуры космических аппаратов, работающей в вакууме, на устойчивость к воздействию факторов электростатических разрядов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2014.Т.16. - №4(3).С.580-582.

6. Костин A.B. Экспериментальное исследование защитных свойств корпусов бортовой аппаратуры космических аппаратов от электромагнитного поля, вызванного электростатическим разрядом // Технологии электромагнитной совместимости, 2015-№2(53).С. 47.-52.

Статьи и материалы конференций:

7. Костин A.B., Пиганов М.Н. Влияние перегородок внутри электромагнитных экранов на эффективность экранирования бортовой аппаратуры космических аппаратов от электромагнитного поля, вызванного электростатическим разрядом // Сборник научных трудов S World.-Выпуск 1. Том 9. - Одесса: Куприенко C.B., 2014. С.66-72.

8. Костин A.B., Пиганов М.Н. Рекомендации по проведению испытаний бортовой аппаратуры космических аппаратов на устойчивость к факторам электростатического разряда // Сборник научных трудов SWorld: матер, межд. науч.-практ. конф. «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2012». Выпуск 2. Том 5. - Одесса: Куприенко C.B., 2012. С.74-78.

9. Костин A.B. Математическое моделирование источников электростатических разрядов на борту космических аппаратов // Материалы XVII Межд. науч. конф., посвящ. памяти М.Ф. Решетнёва. - Красноярск: СибГАУ, 2013. С. 229-230.

10. Костин A.B. Определение токов на поверхности корпуса бортовой аппаратуры космических аппаратов при прямом электростатическом разряде // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер, всерос. НТК. -Самара: изд-во СГАУ, 2014. С. 114-117.

11. Костин A.B. Оценка адекватности мер защиты бортовой аппаратуры космических аппаратов от воздействия электростатических разрядов // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер, всерос. НТК. - Самара: изд-во СГАУ, 2011. С. 78-80.

12. Костин A.B. Оценка стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов к факторам электростатического разряда // Решетнёвские чтения: Материалы XV Межд. науч. конф., посвящ. памяти М.Ф. Решетнёва. - Красноярск: СибГАУ, 2011. С. 20-21.

13. Костин A.B. Исследование и системный анализ источников электростатических разрядов // Сборник трудов всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютевские чтения». - Уфа: издательство УГАТУ, 2013. С. 67-68.

14. Костин A.B. Уточнение методов описания источников электростатических разрядов на борту космических аппаратов // Тенденции и инновации современной науки: материалы IV межд. науч.-практ. конф. - Краснодар: НИЦ Априори, 2012. С. 72.

15. Костин A.B. Математическое описание источников электростатических разрядов, возникших на космических аппаратах // Техника и технологии: роль в развитии в современном обществе: матер, межд. науч.-практ. конф. - Краснодар: НИЦ Априори, 2013. С. 92-96.

16. Костин A.B. Анализ электрического и магнитного поля внутри однородных экранов бортовой аппаратуры космических аппаратов в условиях воздействия

электростатических разрядов // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер, всерос. НТК - Самара: изд-во СГАУ, 2013. С. 61-66.

17. Костин A.B. Исследование и системный анализ источников электростатических разрядов // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер, всерос. НТК - Самара: изд-во СГАУ, 2013. С. 6-7.

18. Костин A.B. Анализ стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов от воздействия факторов электростатического разряда // Сб. тр. Межд. молод, конф. «ХТ«Королёвские чтения». Самара: СГАУ, 2011. С. 220.

19. Костин A.B. Методика оценки стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов к факторам электростатического разряда // Доклады V Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь». - Москва: ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 2011. С. 192-196.

20. Костин A.B. Электромагнитный экран как средство защиты борговой аппаратуры космических аппаратов от факторов электростатического разряда // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011: матер, межд. научно-практической конференции Сб. науч. тр. SWorld, №4 Т.9. - Одесса: Черноморье, 2011. С. 47-50.

21. Kostin А. V., Piganov M.N. Effect of baffles inside the electromagnetic screens on shielding effectiveness of on-board equipment of spacecraft from the electromagnetic field caused by electrostatic discharge // Modem scientific research and their practical application, vol. J11410-044. URL:http:/A\4vw.sworld.com.ua/e-journal/ j 11410.pdf

22. Костин A.B. Анализ бортовой аппаратуры космических аппаратов и оценка её стойкости к факторам электростатического разряда // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер, всерос. научно-технической конференции. - Самара: изд-во СГАУ, 2012. С. 70-74.

23. Костин A.B. Визуализация процессов распространения электромагнитных волн при помощи MATHCAD // Новые информационные технологии в научных исследованиях: матер. XVI ВНТК-Рязань: РГРТУ, 2011. С. 135-137.

24. Костин A.B., Пиганов М.Н. Измерение и анализ помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электромагнитным полем электростатического разряда // Труды Междун.симпоз. «Надежность и качество» : в 2-х т. - Пенза: ПГУ ,2015. 2т. С.32-37.

25. Костин A.B. Методы защиты бортовой аппаратуры от помех электростатического разряда // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер, всерос. НТК - Самара: изд-во СГАУ, 2015. С. 128-130.

26. Костин A.B. Алгоритм разработки мер комплексной конструктивной защиты бортовой аппаратуры космических аппаратов от факторов электростатического разряда // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер, всерос. НТК. - Самара: изд-во СГАУ, 2015. С.131-138.

27. Костин A.B. Комплексная защита бортовой аппаратуры космических аппаратов от помех в бортовой кабельной сета, вызванных электромагнитным полем электростатического разряда // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер, всерос. НТК - Самара: изд-во СГАУ, 2015. С.138-139.

Подписано в печать 10.08.2015 Формат 60 х 84/16. Бумага ксероксная. Печать оперативна^.

Объем - 1,0 усл. п. л. Тираж 100 экз. Заказ № Э.

Отпечатано в типографии издательства СГАУ 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34; тел.:267-44-45