Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Реферат'
Обычно упоминают четыре "последние вещи": Смерть, Суд, Рай и Ад. Это "последние вещи человека". А есть и четыре "последние в...полностью>>
'Конкурс'
В конкурсе принимают участие победители районных конкурсов, а также индивидуальные мастера Ленинградской области, подавшие заявки в установленном пор...полностью>>
'Документ'
Відповідно до Закону України “Про загальну середню освіту” (з змінами) та на виконання завдання стосовно поліпшення роботи з патріотичного, правового...полностью>>
'Статья'
1.1. Открытое акционерное общество «Стройдеталь» (далее именуемое «Общество»), учреждено в соответствии с Указом Президента Российской Федерации &quo...полностью>>

Обеспечение стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов

Главная > Автореферат диссертации
Сохрани ссылку в одной из сетей:

На правах рукописи

Соколов Алексей Борисович

Обеспечение стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов

Специальность 05.12.04.
«Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре «Общая и физическая химия» Московского государственного института электроники и математики (технического университета)»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, Лауреат премии Правительства Российской Федерации

Е.Д. Пожидаев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Балюк Н.В.,

доктор технических наук, профессор Кириллов В.Ю.,

доктор физико-математических наук, профессор Новиков Л.С.

Ведущая организация:

ФГУП «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт»

Защита состоится «18» июня 2009 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 Московского государственного института электроники и математики (технического университета) по адресу:

109028, Москва, Большой Трехсвятительский переулок, дом 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (технического университета)

Автореферат разослан «13» мая 2009 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор Н.Н. Грачев

Введение

Актуальность проблемы. Радиоэлектронная аппаратура (РЭА), устанавливаемая на борту космических аппаратов (КА), развивается в сторону внедрения цифровых технологий, повышения тактовых частот обработки информации, расширения спектра обрабатываемых сигналов. Одновременно минимизируются массогабаритные параметры аппаратуры, увеличивается плотность ее компоновки в объеме КА. Все это создает сложную обстановку с позиций электромагнитной совместимости (ЭМС) приборов и узлов бортовой РЭА (БРЭА). Особую роль при этом играют процессы электризации поверхности КА, вызывающие электростатические разряды (ЭСР) на поверхности блоков и кабельных систем. ЭСР, возникающие вследствие дифференциальной зарядки КА, являются источниками электромагнитных помех (ЭМП), воздействующих на отдельные элементы и устройства и (или) бортовые системы в целом.

Разности потенциалов на поверхностях КА, находящихся на геостационарных орбитах (ГСО), могут достигать 20 кВ, а средние значения энергии ЭСР составляют 6200 мДж. В результате ЭСР по корпусу КА протекают импульсные токи амплитудой до 100 А. Они приводят к возникновению ЭМП в элементах кабельных систем БРЭА.

ЭМП различной природы, вызванные ЭСР, приводят к кратковременным сбоям и отказам БРЭА, искажению информационных сигналов и сигналов управления, а в отдельных случаях физическому повреждению бортовых устройств. В нашей стране этим проблемам посвящены работы ученых: Саенко В.С., Пожидаева Е.Д., Кечиева Л.Н., Кириллова В.Ю., Акишина А.И., Новикова Л.С., Тютнева А.П., и др., а среди зарубежных специалистов можно отметить Бокслейтера В., Барнса Дж., Уайта Дж., Отта Г. Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику защиты бортовой аппаратуры от ЭСР. В области теории и практики обеспечения стойкости электронных средств к внешним электромагнитным воздействиям большой вклад внесли отечественные ученые Балюк Н.В., Кириллов В.Ю., Мырова Л.О., Комягин С.И. и др.

Из-за высокой сложности реальных конструкций КА и их РЭА задача определения места разряда и его уровня достаточно сложна и на сегодняшний день не отработана. Это затрудняет разработку методов и средств предотвращения ЭСР и, соответственно, защиты аппаратуры от его воздействия. Очевидно, что научно-обоснованные меры, принятые на этапе концептуальной и технической проработки изделия, экономически целесообразнее, чем доработка КА на этапе стендовых испытаний. Если проблема, связанная с повышением стойкости РЭА КА к воздействию ЭСР не будет решена, то возможный ущерб от потери спутников по этой причине может многократно превосходить их стоимость.

Таким образом, решение научно-технической проблемы обеспечения стойкости БРЭА КА к воздействию ЭСР при их эксплуатации на геостационарной и высокоэллиптических орбитах является актуальным и важным для различных областей народного хозяйства страны и ее обороноспособности.

Цель работы. Обеспечение стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов путем моделирования воздействия электростатических разрядов на элементы, узлы и кабельные системы аппаратуры и разработка на этой основе научно-обоснованных рекомендаций по повышению ее помехозащищенности.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

  1. Развита теория радиационной электропроводности (РЭ) полимеров внешней поверхности КА и на этой основе сформулирован принцип минимальной радиационной электропроводности (МРЭ), что создает теоретические предпосылки для расчета электрических полей в экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) КА в наихудшем случае: прохождение геомагнитной суббури, низкая температура.

  2. Разработана структурная электрофизическая модель (СЭМ) растекания токов по корпусу КА при ЭСР и предложен метод расчета ЭМП, возникающих на входе БРЭА КА при ЭСР, а также методические и программные средства расчета уровней ЭМП.

  3. Разработаны методика оценки стойкости БРЭА к воздействию ЭСР на поверхности КА и научно-обоснованные рекомендации обеспечения стойкости БРЭА КА на схемно-техническом и конструкторском уровнях.

  4. Разработаны методики проведения стендовых испытаний КА на стойкость БРЭА к воздействию ЭСР.

  5. Разработана методика мониторинга качества функционирования БРЭА КА, находящейся под потенциальным воздействием ЭСР.

Методы исследования. При решении сформулированных задач использовались: теория радиационной электропроводности полимеров, методы теоретической электротехники; теория электромагнитного поля; теория макромоделирования, теория электромагнитной совместимости технических средств, методы вычислительной математики и элементы теории стойкости электронной аппаратуры.

Основные результаты, представленные на защиту:

  1. Принцип минимальной радиационной электропроводности полимеров, положенный в основу расчета напряженности электрического поля в экранно-вакуумной теплоизоляции КА в условиях наихудшего случая: сильная геомагнитная суббуря, низкая температура.

  2. Структурная электрофизическая модель растекания токов по корпусу КА при ЭСР, основанная на представлении конструкции КА в виде эквивалентной схемы из R, L и C элементов, и метод расчета ЭМП, возникающих на входах бортовой радиоэлектронной аппаратуры КА при воздействии ЭСР, с учетом большой размерности СЭМ за счет применения макромоделирования.

  3. Методика экспериментального определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности КА, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах БКС.

  4. Методика оценки стойкости БРЭА к воздействию ЭСР на поверхности КА и рекомендации по обеспечению стойкости БРЭА на схемно-техническом и конструкторском уровнях, включая методику проектирования неоднородных электромагнитных экранов.

  5. Методики проведения стендовых испытаний КА на стойкость БРЭА к воздействию ЭСР.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

  1. На основе исследования РЭ полимеров сформулирован принцип минимальной радиационной электропроводности, положенный в основу расчета напряженности электрического поля в ЭВТИ КА в условиях наихудшего случая: сильная геомагнитная суббуря, низкая температура.

  2. Разработана структурная электрофизическая модель растекания токов по корпусу КА при ЭСР, отличающаяся структурой, позволяющей за счет применения методов макромоделирования существенно повысить размерность и точность решаемой задачи определения растекания токов в любой точке поверхности КА, и предложен метод расчета ЭМП, возникающих на входах БРЭА КА при воздействии ЭСР.

  3. Разработана методика экспериментального определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности КА в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах БКС, отличающийся применением оригинального генератора, что позволяет уменьшить погрешность расчетов уровней помех в два раза.

  4. Предложена методика оценки стойкости БРЭА к воздействию ЭСР на поверхности КА, отличающаяся возможностью получения научно-обоснованных рекомендаций по обеспечению стойкости БРЭА на схемно-техническом и конструкторском уровнях, включая методику проектирования неоднородных электромагнитных экранов.

  5. Предложены методики проведения стендовых испытаний КА на стойкость БРЭА к воздействию ЭСР, отличающиеся применением автономного генератора помех с калиброванными разрядниками, что позволяет исключить влияние питающей сети и повысить точность и воспроизводимость результатов испытаний.

Практическая полезность полученных результатов заключается в следующем:

  1. Разработаны методические и программные средства расчета уровней ЭМП на входах БРЭА КА при ЭСР, возникающих на поверхности КА.

  2. Разработаны оригинальное устройство для имитации воздействия ЭСР, соответствующих натурным условиям эксплуатации КА, и методика определения коэффициента трансформации тока на этом устройстве.

  3. Созданы методики стендовых испытаний КА на стойкость БРЭА КА к воздействию ЭСР на основе автономного испытательного генератора помех с калиброванными разрядниками.

  4. Разработаны практические рекомендации по конструированию БРЭА КА, стойкой к воздействию ЭСР, а также методика расчета неоднородных электромагнитных экранов БРЭА.

  5. Разработана методика мониторинга качества функционирования БРЭА КА, находящейся под потенциальным воздействием ЭСР.

Приоритет практических решений подтвержден следующими патентами и свидетельствами:

  1. Соколов А.Б., Теверовский А.А. Структура для измерения заряда на границе раздела полупроводник-полимер. А.с. 1302955 СССР. НОI 21\66-Опуб.1986.

  2. Соколов А.Б., Дорофеев А.Н., Саенко В.С. Расчет наводок во фрагментах бортовой кабельной сети космических летательных аппаратов. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007614306 от 09 октября 2007 года.

  3. Соколов А.Б., Марченков К.В., Саенко В.С. Расчет величины помеховых сигналов во фрагментах бортовой кабельной сети космических летательных аппаратов. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007614835 от 23 ноября 2007 года.

  4. Соколов А.Б., Агапов В.В, Марченков К.В., Саенко В.С. Устройство для определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети. Патент на полезную модель № 75477 от 10 августа 2008 года.

  5. Соколов А.Б., Жаднов В.В., Полесский С.Н., Мальгин Ю.В., Якубов С.Э. База данных по характеристикам надежности и качества электронно-вычислительных средств и комплектующих. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2008620402 от 07 ноября 2008 года.

  6. Соколов А.Б., Пожидаев Е.Д., Саенко В.С., Тютнев А.П. Экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата. Патент на изобретение № 2344972 от 27 января 2009 года.

  7. Соколов А.Б., Агапов В.В., Востриков А.В., Саенко В.С. Коэффициенты трансформации тока, протекающего по корпусу космического аппарата, в напряжение помех во фрагментах бортовой кабельной сети. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2009620068 от 03 февраля 2009 года.

Основные результаты в виде методов, методик, рекомендаций, инженерных методов расчетов внедрены на следующих предприятиях и в организациях:

  • ФГУП «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт» (МНИРТИ);

  • Государственный космический научно-производственный центр (ГКНПЦ) им. М.В. Хруничева;

  • ФГУП «Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина»;

  • ОАО «Научно-производственное объединение «Лианозовский электромеханический завод»;

  • Московский союз научных и инженерных общественных объединений (МОС СНИО);

  • ГОУВПО «Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)» (МИЭМ);

  • ГОУВПО «Сибирский федеральный университет» (СФУ);

  • ГОУВПО «Московский государственный институт радиоэлектроники и автоматики (технический университет)» (МИРЭА).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

  • Всесоюзном научно-техническом семинаре «Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем» (Рязань - 1984 г.);

  • Научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» (Гурзуф - 1995, 1996 г.г.; Судак - 2001, 2004 г.г.; Сочи - 2007 г.);

  • Научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Судак - 2002 г.);

  • XVIII международном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь- 7-12 июля 2008 г.);

  • Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (Пенза - 2008 г.);

  • Конференции «Радиационная стойкость электронных систем» (МО, г. Лыткарино -2008г.);

  • Десятой Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности. ВИТУ. (С.Петербург - 2008 г.).

Публикации. Результаты диссертации отражены в 57 опубликованных работах, в числе которых 43 статьи в журналах, сборниках статей, материалах конференций, 14 научно-технических отчетов, имеющих государственную регистрацию. В журналах, включенных в перечень ВАК, опубликовано 11 статей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 146 наименований и приложения.

Основное содержание работы

Во введении представлено обоснование актуальности исследуемой проблемы, определены цель работы, круг решаемых задач и методов исследования. Сформулированы результаты работы, выносимые на защиту, их научная новизна и практическая полезность. Приведены сведения об апробации и внедрении достигнутых результатов работы. Представлены публикации, структура и объем работы.

В первой главе дан анализ существа проблемы электризации КА, эксплуатируемых на ГСО или высокоэллиптических орбитах. КА регулярно становятся объектами воздействия космической плазмы во время и после геомагнитных бурь и суббурь. В результате выходят из строя БРЭА КА, системы управления и навигации. Спутники различного назначения теряют управление, прекращают активное функционирование, временно выходят из строя. Многие спутники были потеряны. В любом случае их операторы несут многомиллионные потери.

Эта проблема связана с воздействием на КА потоков электронов и ионов космической плазмы, особенно в моменты суббурь в магнитосфере Земли. Установлено, что если в спокойной магнитосфере на ночной стороне КА приобретает отрицательный потенциал порядка сотен вольт (не более 1 кВ), то в условиях суббури потенциалы достигают единиц и десятков киловольт. Общее заряжение КА определяется знаком и уровнем электрического потенциала, приобретаемого аппаратом в целом, а дифференциальное заряжение (ДЗ)  знаком и уровнем электрического потенциала отдельных изолированных его частей. Как первый, так и второй показатели зависят от соотношения интенсивностей процессов, обеспечивающих поступление на поверхность КА и сток с нее положительных и отрицательных зарядов.

Поверхность современных КА почти полностью покрыта диэлектрическими материалами (терморегулирующие покрытия, защитные стекла солнечных батарей, эмали и т.д.), которые могут оказаться частично или полностью в тени. ДЗ представляет наибольшую опасность для функционирования БРЭА из-за возникновения электрических разрядов между отдельными участками поверхности и элементами конструкции и кабельной системой аппаратуры.

В области ГСО во время геомагнитных бурь значение общего потенциала КА, рассматриваемого как единое проводящее тело, составляет минус 1020 кВ. Положительное заряжение КА происходит в режиме торможения уходящих с поверхности вторичных фотоэлектронов, поэтому положительный потенциал при общей зарядке КА при освещении Солнцем не превышает 10 В. Но и в этом случае общая ситуация достаточно сложная. Можно сделать вывод о том, что единственными причинами ЭСР при электризации КА могут выступать локальные разности потенциалов между различными материалами и изолированными или заземленными металлическими деталями. Очевидно, что речь в таком случае может идти о скользящем искровом разряде.

В общем случае, при рассмотрении вопроса о снижении уровня электризации КА, необходимо учитывать:

  • значение сквозной электропроводности диэлектрического материала, представляющее собой сумму значений темновой и радиационной электропроводностей, последняя связана с потоками высокоэнергетических заряженных частиц радиационных поясов Земли (электроны с энергией более 0,1 МэВ, протоны с энергией более 1 МэВ), пробеги которых соизмеримы или превышают толщину диэлектрического слоя;

  • возможность протекания токов, ограниченных объемным зарядом (ТОПЗ), которые могут снять часть избыточного отрицательного заряда с поверхности диэлектрика на корпус;

  • процессы фотоионизации и ионизации электронным ударом собственной внешней атмосферы (СВА) космического аппарата. Образующиеся при этом положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженной поверхности и частично нейтрализуют отрицательный заряд на ней.

При моделировании в лабораторных условиях ЭСР, происходящих на борту КА, необходимо задавать параметры, наиболее точно воспроизводящие совокупность всех внешних воздействующих факторов, характерных для эксплуатации КА на орбите. Одним из основных параметров при моделировании является поток электронов космической плазмы. Для хороших диэлектриков плотность тока потока электронов не является определяющим фактором, поскольку она в основном определяет лишь частоту разрядов. Поэтому при моделировании вполне допустимо принимать плотность тока пучка в диапазоне 105 104 А/м2.

При скользящем пробое (вдоль поверхности диэлектрика) сталкиваются с явлением, когда один из этапов этого типа разряда включает в себя и объемный пробой, поскольку центроида избыточного заряда электронов расположена на некоторой глубине внутри диэлектрика (от 0,5 мкм до нескольких микрометров). При скользящем пробое (перекрытии) между электродами этот этап разряда, естественно, отсутствует. Электрическая прочность объема в несколько (от 2 до 8) раз выше.

Воздействие ЭСР на работоспособность БРЭА и БКС осуществляется:

  • электромагнитным излучением (ЭМИ), сопровождающим любой разряд на объекте;

  • помеховым сигналом, проникающим в электрическую цепь при передаче его по магнитному полю за счет различных индуктивных связей;

  • воздействием электрического поля из-за разрядов, возникающих между диэлектриком и корпусом КА, а также между диэлектриками и электрической сетью, передачей помеховых сигналов за счет емкостных связей;

  • непосредственным воздействием разряда на кабель.

Основные характеристики электрических разрядов на КА следующие:

  • разность потенциалов до 20 кВ;

  • токи разрядов до 100 А;

  • длительность фронта ЭСР 108107 с;

  • длительность ЭСР 107106 с;

  • энергия ЭСР до 0,2 Дж;

  • частота разрядов до 10 Гц.

При типовой длительности разряда и его фронтов длина излучаемых электромагнитных волн составляет 3300 м.

Импульсные токи, возникающие при ЭСР и протекающие в корпусе КА, кабельных сетях, проложенных на его поверхности и в элементах аппаратуры, расположенных в специальных экранах или гермоконтейнерах, представляют основную опасность для бесперебойного функционирования БРЭА КА. Кроме этого, опасность представляют импульсные электромагнитные поля, возникающие при протекании токов разряда. Проникая через неоднородности экранов, они воздействуют на непреднамеренные антенны внутри БРЭА, наводя помеховые токи и напряжения.

Основными каналами проникновения электромагнитных помех, возникающих при ЭСР в БРЭА, являются излучение электромагнитной энергии в окружающее пространство и растекание токов по корпусу КА.

Блоки РЭА конструктивно представляют собой замкнутые металлические объемы. Кабели могут быть неэкранированными, экранированными или частично экранированными. Разъемные соединения также имеют как проводящие, так и непроводящие части (ряд соединителей имеет диэлектрические кожухи или на них наносятся для исключения коррозии анодирующие покрытия). Поскольку схема металлизации КА разработана таким образом, что все проводящие части конструкции, экраны кабелей, корпуса приборов соединены гальванически, то любой разряд с выбросом заряда в плазму вызовет изменение потенциала всей конструкции, что может отразиться на функционировании любой системы БРЭА.

Помеховый сигнал от ЭМИ возникает за счет возбуждения ЭДС в электрический цепи, имеющей разрывы в экране. При этом уровни помех не превышают долей вольта.

Помеховый сигнал в кабеле при ЭСР возникает из-за того, что при изменении магнитного потока, проходящего через контур, в нем наводится электродвижущая сила (ЭДС). Принимая для типичных разрядов на КА dJ/dt1091010 А/с, получаем для ЭДС, наводимой в кабельных цепях при ЭСР, значения порядка нескольких вольт.

Проведенный анализ показывает, что при разрядах непосредственно в электрическую цепь уровень помехового сигнала может достигать нескольких киловольт, если не применять специальных конструкторских решений.

В табл. 1.1 приводятся значения энергии помех, вызванных ЭМИ, при которых происходят сбои в работе или выгорание элементов РЭА.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Ніверситеті радіоелектроніки (1965-2010) Науково-допоміжний анотований бібліографічний покажчик до 80-річчя з дня заснування Харків 2010 ббк ч75: Ч215

    Документ
    Дисертації, захищені у Харківському національному університеті радіоелектроніки (1965-2010) : [Текст] : наук.-допом. анот. бібліогр. покажч. / упоряд.
  2. Название стандарта

    Документ
    0 . 008 с правом доср.прим. с.54 от ИУС( - 008) Изм. 50/ 009 с 01.05.09 с правом досрочного применения. 51/ 009 с 01.05.09 с правом досрочного применения Изм.
  3. Постановление Государственного военно-промышленного комитета Республики Беларусь и Государственного таможенного комитета Республики Беларусь от 1 апреля 2009 г (1)

    Документ
    Постановление Государственного военно-промышленного комитета Республики Беларусь и Государственного таможенного комитета Республики Беларусь от 1 апреля 2009 г.
  4. Постановление Государственного военно-промышленного комитета Республики Беларусь и Государственного таможенного комитета Республики Беларусь от 1 апреля 2009 г (2)

    Документ
    Постановление Государственного военно-промышленного комитета Республики Беларусь и Государственного таможенного комитета Республики Беларусь от 1 апреля 2009 г.
  5. Наукове видання Матеріали ХVIII міжнародної науково-практичної конференції учотирьох частинах Ч. IV харків 2010 ббк 73 І 57

    Документ
    Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я: Тези доповідей ХVIII міжнародної науково-практичної конференції, Ч.IV (12-14 травня 2010 р.

Другие похожие документы..