автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка методики проектирования экранов бортовых кабелей космических аппаратов для обеспечения помехозащищённости при воздействии электростатических разрядов

На правах рукописи

ал

Томилин Максим Михайлович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭКРАНОВ БОРТОВЫХ КАБЕЛЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОМЕХОЗАЩИЩЁННОСТИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ

Специальность 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 4 НОЯ 2011

Москва 2011

005001896

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) «МАИ»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.Ю. Кириллов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, лауреат премии Правительства РФ B.C. Саенко

доктор технических наук, профессор В.И. Бусурин

Ведущая организация:

МОКБ «Марс»

Защита диссертации состоится „¿2 " ЭеКАБРЯ 2011 г. в 43 часов н. заседании диссертационного совета Д 212.125.01 при Московском авиацион ном институте (национальном исследовательском университете) «МАИ» п адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиаци онного института (национального исследовательского университета) «МАИ»

Отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 125993, ГСП - 3, А - 80, Москва, Волоколамское шоссе, д.4. Ученый совет

МАИ.

Автореферат разослан „ 3 " ЦОЯБРЯ 2011

г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.125.С кандидат технических наук, доцент

А.В. Корнеенкова

ОБЩАЯХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы

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, позволяющей 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 диссертационной 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 электростатическими разрядами.

Методы исследования

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 диссертационной работы

Научная новизна данной работы заключается в следующем: ,;

- проведены теоретические исследования, позволяющие оценивать уровни напряжённостей 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 массогаба-ритных параметров при воздействии электростатических разрядов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов Достоверность результатов, полученных на каждом этапе теоретических исследований диссертационной работы, достигается благодаря соответствию обобщённым экспериментальным данным.

Практическое значение диссертационной работы Практическое значение работы заключается в следующем:

- полученные теоретические оценки уровней напряжённостей импульсных электрического и магнитного полей, создаваемых электростатическими 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 МАТЬАВ и \4athcad 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.

Основные положения, выносимые на защиту:

- 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.

Апробация работы

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, 2010,20И 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.

Структура и объём работы

Диссертационная работа изложена на ста восьмидесяти машинописных страницах и состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованных источников, включающего сорок четыре наименования. Иллюстрационный материал содержит шестьдесят девять рисунков и две таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована необходимость разработки методики проектирования экранов бортовых кабелей космических аппаратов, определены решаемые научно-технические задачи, показаны научная новизна и практическое значение, даны сведения об апробации и структуре диссертационной работы.

В первой главе диссертационной работы описаны механизмы образования, проникновения и распространения электростатических разрядов (ЭСР) на борту космических аппаратов (КА), дана классификация ЭСР и создаваемых ими электромагнитных помех (ЭМГТ) (рис. 1), рассмотрено воздействие ЭМП на элементы и устройства бортовых систем КА.

Во второй главе диссертационной работы проводились теоретические исследования ЭМП от ЭСР, возникающих вследствие электризации КА в магнитосферной плазме. Были получены формулы, позволяющие оценивать уровни импульсных электрического и магнитного полей, создаваемых ЭСР на расстояниях, соизмеримых с длиной его плазменного канала (рис. 2).

Например, в случае разрядного тока

расчётное выражение для напряжённости электрического поля имеет вид:

Рис. 1. Классификация ЭСР и создаваемых ими ЭМП

Т©<

I

г

__ 1ц Гц

, -/. • е '' -е

7 -г • ип\ы ■

__+

Рис. 2. К расчётам параметров излучаемых ЭМП на расстояниях, соизмеримых с длиной канала, при разряде на проводящую поверхность методом зеркальных изображений: Н - высота канала разряда; -ц - заряд, расположенный над проводящей поверхностью; - фиктивный заряд; / -ток разряда; / - фиктивный ток разряда; 3 -скорость распространения заряда; ёг - элемент тока разряда; М (г0; г0) - точка наблюдения; Я - расстояние до

точки наблюдения; Я - фиктивное расстояние до точки наблюдения; Н,, -аксиальная составляющая вектора напряжённости магнитного поля; А -запаздывающий векторный потенциал

E(t, z) = E, (t, z) + EM (t, z),

(2)

E..(t,z) = -

ri. 4я

n

Я

-o-smw. •

Jr02 + (z0-z) t Vro+(z0-z)2

со,cosca.

t-

yjr,02+(Z0-Z)2

It

■MM

^r¿+(zQ+z)2 z с a

-O-siikû,

9J о ^r02+(z0 + z) t >/r„2+(z0 + z)2 z

f R z

dz

E.(t,z) =

L

4тсе„-ó»

V^ + (zq-Z)2

c-sinco,

t л/гр +(zp-z)2 z

t-

л/г02 +(z0-z)2 £ с

yjr¡+(za-zf

с S

[ro2+(zo+z)2]2

>/гр+(z„+z)2

a-sinco.

Vr0 +(zo + z)2 Z

с S

хсохсо.

I-

у!го +(го + гУ г

с 3

—это

г-

Уг0 +(го + 2)2

1 с

с1г

Импульсные поля с большими значениями напряжённостей представляют опасность для полупроводниковых приборов и интегральных микросхем в бортовых приборах и устройствах. Максимальное значение напряжённости электрического поля (2) на расстоянии Я = ■ 10"2 м. от плазменного канала длиной Н = 0,01м. для параметров разрядного тока (1) 1т =100 А;

а = 5-107-; со, =2-10' - составляет Ет «55,8—. с с м

В компьютерной среде МАТЬАВ реализованы приложения, позволяющие рассчитывать: кондуктивные ЭМП от ЭСР в виде импульсных токов и напряжений на экранах бортовых кабелей, распределённые импульсные напряжения на внутренних проводниках экранированных кабелей, индуцированных контактными искровыми разрядами и излучаемыми ЭМП от ЭСР. Данные приложения основаны на предложенной модели воздействия ЭСР на экранированный кабель, для которой проводились теоретические исследования. При воздействии контактного разряда (эквивалентная схема для внутреннего проводника в операторной форме представлена на рис. 3) напряжение на внутреннем проводнике и„, „ (х-, I) кабеля с экраном в виде оплётки определяется следующим образом:

и..., (х. О = ия,, (х ,р) = и „в.а (х, р) + и;,, (х , р), (3)

А»п (р) В„,(р)

г*-

бх*

-(р)\\

и„ьМр)

(Р)

Рис. 3. Эквивалентная схема для внутреннего проводника экранированного кабеля в виде электрической цепи с распределёнными параметрами: и. п > ^о,.„, С0в п - распределённые параметры внутреннего проводника экранированного бортового кабеля; п (р), (р) - операторные нагрузочные сопротивления; е, п (х, р) = Zac!1 (р) • I, (х, р) - Э.Д.С. на элементарном участке

внутреннего проводника в операторной форме; 1Э (х, р) = _операторный

ток, протекающий по экрану кабеля вследствие воздействия ЭСР; I

2,с.(р) =

Т2рг +шр + п

+ рМ - функция в операторной форме, модуль

которой аппроксимирует модуль сопротивления связи, представленный аналитической формулой; М = к • - взаимная индуктивность между экраном и внутренним проводником бортового кабеля; к - коэффициент, определяемый свойствами экрана кабеля и учитывающий неоднородности экрана в виде оплётки; Ъъ - волновое сопротивление кабеля;

1

Мр)^

Р 2,,(р) вДРЬс^УДРИ]-

[ггх (Р) ■ 8ь[тг,. (р) • х]+г.,. (Р) • сь[у, (р) ■ *']];

-5Ь[у,(р)-|]х

Ср'Р

; и - напряжение контактного ЭСР; Я

сопротивление плазменного канала ЭСР; Ср - разрядная ёмкость

А.,, (р) = ир • Ср • (Я0в п + рЬ0вп) • [г2.,. (р)• г. „. (р) • сь[ув, (р) • х'] +

Ов.п.

В- (р)=(я,,..+рц. „) • у,„ (р) ■• сь[у(р) • е]■ [ср р • (ги„ (Р)- яр)-1]+ +8Ь[у..„. (р) •■£}■ [(Ко., + рЦ>. .„. )2 • с, • р - у!,, (р) • г2> „. (Р) • (яр ср Р+1)];

и- (х ри_^,А;п(р)-А0,п(р)

А0» п. (р)=1 + рм(т2р2 + шр + п); а;п (р)=У,.„.(р)[г21 (р)у] (р)зь[у, (р)х,]+(Я,1. + рь0,)у, (р)сИ[у, (р)-х]];

(р)

уКР)

■в,(р);

В'в„ (р) = (р-р,)-(р-р2)-7!п (р)-

во (р)=(ког + рЧ, ) • у, (р) • (р) • -[ср • р - (р) - )-1]+ 4*ь[г,.(р)-<]{(11о, +рЬ0,.)2-ср .•р-г?.(р)-г2х(р)-(КрСр-Р+1)];

__т_ 1 1 т Ри- Т2-Т'У4Т 2

где г2з (р)=Я21 +рЬ2

рС2

- операторное сопротивление заземления эк-

рана кабеля; Я2з, , С2) -соответственно сопротивление, индуктивность и

ёмкость заземления экрана кабеля; у, (pW(R<b +pLo,.MG0l +pCj- коэффициент распространения в операторной форме; R0j, L03, G0,, С0з - первичные параметры экрана бортового кабеля КА.

Пример временной диаграммы импульсного напряжения UB BII (х, t),

полученной с использованием (3), представлен на рис. 4.

Формулы и алгоритмы, приведённые в данной главе, могут быть использованы в качестве исходных данных при проектировании экранов бортовых кабелей.

Третья глава диссертационной работы посвящена экспериментальным исследованиям частотных характеристик сопротивлений и функций связи различных образцов экранированных бортовых кабелей и гибких материалов.

Схема для исследования сопротивления связи экранированного кабеля с нагрузкой приведена на рис. 5.

Схема установки для исследования функции связи экранированных кабелей приведена на рис. 6.

Схема размещения испытываемых образцов бортовых кабелей при исследовании функций связи приведена на рис. 7.

На основе аппроксимаций экспериментально полученных кривых сопротивлений и функций связи (см. рис. 8) модулем полиноминальной операторной функции второго порядка Тгр2 + шр + п, разработана методика, позволяющая:

1 ) рассчитывать напряжения, наведённые на внутренних проводниках импульсными токами различной формы, протекающими по экрану вследствие воздействий ЭСР;

2) оценивать величины синфазных напряжений на внутренних проводниках, индуцированных импульсными конструкционными токами или импульсными потенциалами, а также электрическими и магнитными полями, создаваемыми ЭСР во внутреннем объёме КА;

IU.t„(t)I.B -OMS -OMO 0,135 0,430 0,425

0.1*20 -1-1-1-1-1-1-1-1-1--

0,5 1,0 1,5 2,0 2.5 3,0 3,5 4,0 4,5 t, не

Рис. 4. Временная диаграмма модуля импульсного напряжения (3), наведённого на сопротивлении нагрузки Z2„„ =0,5 Ом в случае воздействия

контактного ЭСР на экран кабеля радиусом г„ = 2-Ю~3 м., толщиной

Гн

d = Ю"4 м„ длиной £ = 8м. при nr = l;Z„ =50Ом;к = 4,67-10"12-

Ом м

Zb =ZiBn =0;Raj » 0,047 —;R0e,.= 0,068 « 2.769-10"' —;

MM M

L„Bn »1,298-10* — ;G0) «иОЗ-Ю-*—;GU„ «2,333• IO"1 —;C0l =8,006-10"14 —;

M M M M

Ф

C„Bn -6,896-10 —. Построение выполнено для следующих параметров ЭСР: м

Up =10кВ; Rp = 330 Ом; Ср = 150 пФ

Рис. 5. Схема для экспериментального исследования частотной характеристики сопротивления связи : 1 - испытуемый экранированный

кабель; 2 - токовый шунт; 3 - высокочастотный генератор сигналов (ГС); 4-измерительный приёмник (ИП); Кн - сопротивление нагрузки =1 МОм)

Рис. 6. Схема установки для экспериментального исследования функции связи экрана бортового кабеля при протекании тока по элементу конструкции КА: 1 - испытуемый образец экранированного кабеля; 2 - измерительный приёмник (ИП); 3 - высокочастотный генератор сигналов (ГС); 4 - ТЕМ-камера; 5 - центральный электрод ТЕМ-камеры; = 50 Ом - сопротивление нагрузки (в случае экспериментального определения функции связи экрана бортового кабеля при наличии потенциала на элементе конструкции сопротивление Ян не подключается)

Рис. 7. Схема расположения испытуемого образца экранированного бортового кабеля на центральном электроде ТЕМ-камеры при протекании тока по элементу конструкции КА или наличии потенциала: 1 - испытуемый образец экранированного бортового кабеля; 2 - диэлектрическая прокладка; 3 - корпус ТЕМ камеры; 4 - центральный электрод ТЕМ-камеры; 5 - дополнительный экран; Я = 1 МОм- сопротивление нагрузки (в случае экспериментального определения функции связи экрана бортового кабеля при наличии потенциала на элементе конструкции сопротивление Я, обозначенное пунктиром, не подключается)

Рис. 8. Результат аппроксимации модуля функции связи Рс>и(Г) для кабеля с экраном типа «ГТМЛ»: 1 - экспериментально полученная кривая: 2 -аппроксимирующая кривая

3) вычислять значения потенциалов на корпусах экранированных бортовых устройств КА при воздействии излучаемых ЭМП от ЭСР, в виде импульсных электрических и магнитных полей.

Разработанная методика реализована в компьютерной среде МАТЬ А В в виде приложений, позволяющих автоматизировать соответствующие расчёты. При этом погрешности оценок уровней наведённых напряжений зависят от точности аппроксимаций частотных характеристик сопротивлений (функций) связи, установленных экспериментальным путём, аналитическими функциями.

Максимальное значение напряжения на внутреннем проводнике кабеля длиной £ = 0,15 м. с экраном типа «ПМЛ» (функция связи приведена на рис. 8), при

воздействии на элемент конструкции потенциала и„ (г) = и,т ■ е~°' ■ Б1П са^,

вызванного ЭСР, для значений и„ „ = 10 кВ; о = 5 • 107 -; со, = 2 • 108 - и

с с

коэффициентов аппроксимирующей функции Т к 2,14168 ■ 10"10

ш »3,78898-1 (Г12 —-с; п«3,91153-Ю"5 — в результате расчёта составляет ~ 2 В. м м

Как и выражения, полученные во второй главе, результаты экспериментальных исследований, представленные в третьей главе диссертационной работы, используются при проектировании экранов бортовых кабелей.

В четвёртой главе диссертационной работы разработаны алгоритм и методика проектирования сплошных и оплёточных экранов бортовых кабелей, реализованные в компьютерных средах МАТЬАВ и Майсас! в виде приложений.

Разработанные алгоритм и методика позволяют автоматизировать процесс проектирования различных типов экранов, с учётом требуемой помехозащищённости от импульсных ЭМП, создаваемых ЭСР, и ограничений, накладываемых на массогабаритные параметры. При этом методика позволяет определить следующие параметры: г0 - радиус экрана; (1-диаметр проволоки для оплётки; оэ -удельную проводимость материала, из которого изготавливает-

ся оплётка; N.. - число проволок в жгуте; - число жгутов; Р-число пересечений; К - оптическое перекрытие оплётки; Р-заполнение оплётки; а - угол плетения.

Сравнение частотных характеристик модулей сопротивлений связи использующихся в настоящее время и разрабатываемого экранов бортовых кабелей (рис. 9) показало, что применение данной методики обеспечивает требуемую помехозащищённость от излучаемых и кондуктивных ЭМП, создаваемых ЭСР.

При этом методика позволяет снизить массу экрана бортового кабеля по сравнению с оплёткой типа «ПМЛ».

Рис. 9. Сравнение частотных характеристик модулей сопротивлений связи: 1 - ограничение на модуль сопротивления связи; 2 - модуль частотной характеристики сопротивления связи разрабатываемого оплёточного экрана; экспериментально полученные частотные зависимости (со) для образцов кабелей с экранами типа: 3 - «ПМЛ»; 4-«ПБМсП6х10»; 5 - «ПОМсК 6x10»

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведён 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.

2. Получены оценки уровней электромагнитных помех в виде импульсных электрического и магнитного полей, создаваемых электростатическими разрядами, возникающими вследствие дифференциальной зарядки диэлектрических поверхностей космического аппарата при его эксплуатации. Исследованы уровни электромагнитных помех на расстояниях, соизмеримых с длиной плазменного канала электростатического разряда.

3. Предложена модель воздействия электростатических разрядов на экранированные кабели, и, на её основе, проведён теоретический анализ, позволяющий оценивать уровни кондуктивных электромагнитных помех в виде импульсных токов и напряжений на экранах и внутренних проводниках бортовых кабелей.

4. Предложена методика анализа помехозащищённости экранированных бортовых кабелей, основанная на результатах экспериментальных исследований сопротивлений связи. Введены понятия функций связи, позволяющих оценивать помехозащищённость экранированных кабелей и корпусов приборов от электростатических разрядов.

5. Разработан алгоритм проектирования сплошных экранов бортовых кабелей. Реализация предложенного алгоритма в компьютерных средах МАТЬАВ и МаЛсаё позволяет автоматизировать процесс проектирования с учётом заданных помехозащищённости и массогабаритных параметров.

6. Разработана методика проектирования оплёточных экранов бортовых кабелей, обеспечивающая требуемую помехозащищённость от воздействия электростатических разрядов, с учётом ограничений, накладываемых на мае-

согабаритные параметры. Использование данной методики позволяет снизить массу экрана бортового кабеля по сравнению с оплёткой типа «ПМЛ».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Гордеев C.B., Томилин М.М. Исследование эффективности экранирования гибких экранов. 2-ая Всероссийская конференция учёных, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2009». 20-24 апреля 2009 г., Москва. Тезисы докладов. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. с. 32.

2. М.М. Томилин. Расчёт кондуктивных электромагнитных помех на экранах кабелей космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов. 8-ая международная конференция «Авиация и космонавтика -2009». Тезисы докладов. - М.:Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. с. 181 - 182.

3. М.М. Томилин. Научный руководитель: В.Ю. Кириллов. Применение гибких экранирующих материалов для защиты от воздействия электростатических разрядов. Научно-практическая конференция студентов и молодых учёных МАИ «Инновации в авиации и космонавтике - 2010». 26-30-е апреля 2010 г. Москва. Сборник тезисов докладов. - СПб.: Мастерская печати, 2010. с. 75-76.

4. М.М. Томилин, В.Ю. Кириллов. Расчёт параметров кондуктивных электромагнитных помех на центральных проводниках бортовых кабелей космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов. 9-ая международная конференция «Авиация и космонавтика-2010». 16-18-ое ноября 2010 г. Москва. Тезисы докладов. - СПб.: Мастерская печати, 2010.

с. 194- 195.

5. A.A. Сафонов, М.М. Томилин. Подготовка к эксперименту по исследованию экранирующих свойств углепластика. -М.: МИЭМ, 2010. -

с. 102- 105.

6. М.М. Томилин. Научный руководитель: В.Ю. Кириллов. Использование функций связи для расчёта напряжений, индуцированных на внутренних проводниках бортовых кабелей летательных аппаратов. Научно-практическая конференция студентов и молодых учёных МАИ «Инновации в авиации и космонавтике - 2011 ». 26-30-е апреля 2011 г. Москва. Сборник тезисов докладов. - М.: МЭЙЛЕР, 2011. с. 73 - 74.

7. В.Ю. Кириллов, М.М. Томилин. Исследование сопротивлений связи экранированных кабелей. 9-ый Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. 13-16-ое сентября 2011 г. Санкт-Петербург. Труды симпозиума, с. 122 - 124.

8. В.Ю. Кириллов, М.М. Томилин. Применение функций связи для расчёта эффективности экранирования гибких материалов. 9-ый Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. 13-16-ое сентября 2011 г. Санкт-Петербург. Труды симпозиума, с. 126 - 127.

9. В.Ю. Кириллов, C.B. Гордеев, М.М. Томилин. Исследование гибких экранирующих материалов // Технологии ЭМС. №2(29), 2009. - с. 69 - 71.

10. В.Ю. Кириллов, М.М. Томилин, C.B. Гордеев. Исследование защитных свойств гибкого материала // Вестник Московского Авиационного Института. Т. 16. №6,2009. - с. 108 - ПО.

11. В.Ю. Кириллов, М.М. Томилин, C.B. Гордеев. Исследование эффективности экранирования бортовых кабелей // Вестник Московского Авиационного Института. Т. 17. №1, 2010. - с. 42 - 44.

12. В.Ю. Кириллов, М.М. Томилин. Исследование эффективности экранирования гибких материалов при воздействии импульсных излучаемых помех, создаваемых электростатическими разрядами // Технологии ЭМС. №2(33),2010.-с. 65-68.

13. В.Ю. Кириллов, М.М. Томилин. Исследование экранирующих свойств гибких материалов с целью их дальнейшего применения для защиты изделий аэрокосмической техники от электромагнитных воздействий // Вестник Московского Авиационного Института. Т. 18. №1, 2011. - с. 121-125.

Подписано в печать: 06.11.2011 Объем: 1,3 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 528 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Страстной бульвар, д. 6,стр. 1 (495)978-43-34; www.reglet.ru

Введение.л.

Г. Электростатические разряды на борту космических аппаратов.

1.1. Образование электростатических разрядов при взаимодействии; космических аппаратов с магнитосфернои плазмой.

1.2. Проникновение и распространение электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами^ в конструкции и бортовой кабельной сети космического аппарата: .„'.:.

1.3. Воздействие электромагнитных помех от электростатических разрядов на элементы и устройства бортовых систем космических аппаратов:.

2. Исследование электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами.1.„.:.

2.1. Расчёт параметров излучаемых электромагнитных помех от электростатических разрядов:.:.

2.1.1. Формулы расчёта параметров излучаемых электромагнитных помех.:.:.

2.1.2. Излучаемые электромагнитные помехи в ближней и дальней зонах.:.„.„.:. .:.

2.1.3. Расчёт параметров излучаемых электромагнитных помех на расстояниях, соизмеримых с длиной канала электростатического разряда:. . .:

2.2. Расчёт кондуктивных электромагнитньрс помех, создаваемых электростатическими разрядами. .;.„.:.

2.2.1. Расчёт кондуктивных электромагнитных помех в виде импульсных токов и напряжений на экранах бортовых кабелей при контактных электростатических разрядах.

2.2.2. Расчёт импульсных распределённых токов и напряжений на экранах кабелей; индуцированных излучаемыми электромагнитными помехами в виде электрического и магнитного полей, создаваемых электростатическими разрядами.

2.2.3. Расчёт напряжений на внутренних проводниках экранированных кабелей, индуцированных контактными искровыми разрядами и излучаемыми электромагнитными помехами от электростатических разрядов.

3. Исследование сопротивлений и функций связи экранов бортовых кабелей и гибких экранирующих материалов.

3.1. Исследование частотных зависимостей сопротивлений связи между экранами и внутренними проводниками бортовых кабелей.

3.2. Исследование частотных зависимостей функций связи между элементами конструкции и внутренними проводниками кабелей.

3.3 Исследование частотных зависимостей функций связи гибких экранирующих материалов.

3.4. Методика расчёта импульсных напряжений на внутренних проводниках на основе экспериментальных значений сопротивлений и функций связи.

4. Проектирование экранов бортовых кабелей.:.

4.1. Алгоритм определения параметров сплошных экранов.

4.2. Методика проектирования оплёточных экранов кабелей при воздействии импульсных электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами.

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, позволяющей 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 электростатическими 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 напряжённостей 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 напряжённостей импульсных электрического и магнитного полей, создаваемых электростатическими 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 МАТЬАВ и МаШсас! 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.

Выводы

1. В компьютерных средах МАТЪАВ и МаШсаё реализован алгоритм автоматизированного проектирования сплошных экранов бортовых кабелей с требуемыми уровнем помехозащищённости и массогабаритными параметрами.

2. Разработана методика проектирования оплёточных экранов бортовых кабелей, обеспечивающая требуемую помехозащищённость при воздействии электростатических разрядов с учётом ограничений, накладываемых на мас-согабаритные параметры. Данная методика реализована в средах МАТЪАВ и МаШсаё.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Проведён 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.

2. Получены оценки уровней электромагнитных помех в виде импульсных электрического и магнитного полей, создаваемых электростатическими разрядами, возникающими вследствие дифференциальной зарядки диэлектрических поверхностей космического аппарата при его эксплуатации. Исследованы уровни электромагнитных помех на расстояниях, соизмеримых с длиной плазменного канала электростатического разряда.

3. Предложена модель воздействия электростатических разрядов на экранированные кабели, и, на её основе, проведён теоретический анализ, позволяющий оценивать уровни кондуктивных электромагнитных помех в виде импульсных токов и напряжений на экранах и внутренних проводниках бортовых кабелей.

4. Предложена методика анализа помехозащищённости экранированных бортовых кабелей, основанная на результатах экспериментальных исследований сопротивлений связи. Введены понятия функций,связи, позволяющих оценивать помехозащищённость экранированных кабелей и корпусов приборов от электростатических разрядов.

5. Разработан алгоритм проектирования сплошных экранов бортовых кабелей. Реализация предложенного алгоритма в компьютерных средах МАТЬАВ и МаШсас! позволяет автоматизировать процесс проектирования с учётом заданных помехозащищённости и массогабаритных параметров.

6. Разработана методика проектирования оплёточных экранов бортовых кабелей, обеспечивающая требуемую помехозащищённость от воздействия электростатических разрядов, с учётом ограничений, накладываемых на мас-согабаритные параметры. Использование данной методики позволяет снизить массу экрана бортового кабеля по сравнению с оплёткой типа «ПМЛ».

1. Плазменная гелиогеофизика. В 2 т. Т. I/ Под ред. JI.M. Зелёного, И.С. Веселовского. Ml: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 672 с.

2. Акишин А.И., Новиков JI.C. Модель космоса. М., 2007. - 2016 с.

3. Плазменная гелиогеофизика. В<2 т. Т. II / Под ред. JI.M. Зелёного, И.С. Веселовского. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 560 с.

4. Новиков Л.С. Взаимодействие космических аппаратов с окружающей плазмой. Учебное пособие. -М.: Университетская книга, 2006 . 120 с.

5. Н:В. Балюк, В.Г. Болдырев, В.П. Булеков, Л.Н. Кечиев, В.Ю. Кириллов, И.И. Литвак, В.А. Постников, С.Б. Резников; под ред. В JL Булекова. М.: Изд-во МАИ, 2004i - 648 с.

6. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М. Радио и связь, 2004. - 320 с.

7. Луценко В.Н. Радиация и надёжность работы бортовых микропроцессорных систем. Препринт / ИКИ АН СССР №1693. - М., 1990: - 21 с.

8. Baker D.N., Li X., Turner N. et al. Recurrent geomagnetic storms and rela-tivistic electron-enhancements in the outer magnetosphere: ISTP coordinated measurements: ISTP coordinated measurements // JGR. 1997. V. 102, No? A7. P: 14141-14148:

9. Koskinen K. Space weather and interaction with spacecraft // SPEE Final Report. Helsinki: Finnish Meteorological Institute, 1999.

10. Кузнецов H. В., Ныммик P.А. Фоновые потоки ионов как источник сбоев микроэлектроники на борту космических аппаратов // КИ. 1994. Т. 32, №2. С. 112-117.

11. Кузнецов H.B. Частота одиночных случайных эффектов в электронике на борту космических аппаратов // КИ. 2005. Т. 43. С. 423.

12. Miroshkin V.V., Tverskoy M.G. A simple approach to SEU cross section determination // IEEE Trans, on Nucl. Sei. 1998. V. 45, No. 6. P.2884 2890:

13. Pickel С. Single event effects rate prediction // IEEE trans, on Nucl. Sei. 1996. V.43, No. 2. P. 483 495.

14. Dmitriev A., Chao J.-K., Suvorova A. et al. Indirect estimation of the solar wind conditions in 29 -31 October 2003 // JGR., 2005b. V. 100, No. A9.

15. P. A09S02-1 A09S02-15. DOI: 10.1029/2004JA010806.

16. GarretH.B. //Rev. Geophys. SpacePhys. 1981. Vol. 19,No. 4. P. 577- 616.

17. А. Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. С предисловием JI. де Бройля. Пер. с фрнцузского под общей»редакцией К.С. Шифрина. -М:: Наука, главная редакция физико-математической, литературы, 1965. 780 с.

18. И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев; под ред. Г. Гроше и В; Циглера. Справочник по( математике для инженеров и учащихся ВТУЗов: — М.: Наука, главная редакция физико-математической литературы: перевод с немецкого, 1980: — 976 с.

19. JI.A. Бессонов. Теоретические основы электротехник. В 3-х ч. 3-е изд. - М.: Высш. Шк., 1961.-792 с.1. W

20. Шваб А.И: Электромагнитная совместимость. Пер. с нем. В.Д. Мазина и С.А. Спектора / под ред. И.П. Кужекина. М.: Энергоатомиздат, 1995. - 480 с.

21. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники: учебник для ВУЗов. В 3-х ч. Ч. 1. Линейные электрические цепи. 5-е изд., испр. и доп. - М. Энергия, 1978.-592 с.

22. Кравченко В.И., Болотов Е.А., Летунова И.И.; под ред. В.И. Кравченко Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. — М.: Радио и связь, 1987. 256 с.

23. Кошляков Н.С. Основные дифференциальные уравнения математической физики. — Ленинград, М.: Государственное технико-теоретическое издательство, 1933. 512 с.

24. Лунц Г.Л., Л.Э. Эльсгольц. Функции комплексного переменного. М.: Государственное издательство физико-математической»литературы, 1958. - 300 с.

25. Базыкин В:В. Преобразование Фурье расчёт переходных процессов в нагруженных длинных линиях // Межвузовский? сборник.: Сложные электромагнитные поля и электрические цени. Уфа, 1977, №5.

26. Базыкин В.В. Итерационный метод решения трансцендентного характеристического уравнения. Деп. в Информэлектро 27.10.78, № 39Д/ 1 117.30; Каганов З.Г. Электрические цепи с распределёнными параметрами и цепные схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 248 с.

27. CarlbiAlbertO'Nucci, Earhad Rachadi. On the electromagnetic field components dn field-to-transmission line interaction // IEEE transaction on electromagnetic compatibility. Vol^ 37, No 4, November 1995, p. 505 508;

28. Salvatore Celozzij.Mauro Eeliziani. Time domain solution of filed-exited multiconductor transmission line equations // IEEE transactions on electromagnetic compatibility. Vol. 37, No 3, August 1995,p. 421 432.

29. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. Перевод с английского Б.Н. Бронина / под редакцией М.В. Гальперина. -М.: издательство «Мир», 1979. 320 с.

30. Смирнов В.И. Курс высшей математики. Т. 2. М.: государственное издание физико-математической литературы, 1961. — 628 с.

31. Рикетс Л.У., Бриджес Дж., Майлетта Дж. Электромагнитный импульс и методы защиты: перевод с англ. / Под ред. Н.А. Ухина. — М.: Атомиздат, 1979.-327 с.

32. Robdrt М. Whitmer. Cable shielding performance and CW response // IEEE transactions on electromagnetic compatibility. Vol. EMC — 15, No 4, November 1973, p. 180-187.

33. Формалёв В.Ф., Ревизников Д.JI. Численные методы. — Изд. 2-е., испр., доп. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 400 с.

34. Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами. Перевод с английского В.А. Исаакяна / под редакцией Б.Н. Файзулаева. — М.: издательство «Мир», 1990; -238 с.

35. Гальперин Ю.И., Гладышев В.А., Козлов А.И. и др. Электромагнитная совместимость научного космического комплекса АРКАД-3. — М.: Наука, 1984.-192 с.

36. Вэнс Э.Ф. Влияние электромагнитных полей на экранированные кабели: перевод с англ. / Под ред. Л.Д. Разумова. М.: Радио и связь, 1982. - 120 с.

37. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов P.K., Кужекин И.П., Жуков А.В. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике / под редакцией А.Ф. Дьякова. М.: Энергоатомиздат, 2003. — 768 с.

38. Вольман В:И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика / под редакцией Г.З. Айзенберга. М.: издательство «Связь», 1971. — 487 с.

39. Провод с биметаллической жилой. Новые материалы и технологии, используемые при изготовлении бортовых кабелей / Электронный ресурс: http://www.smb-co.ru.