На правах рукописи
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
Москва 2011
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 В.С. Саенко доктор технических наук, профессор В.И. Бусурин
Ведущая организация: МОКБ «Марс»
Защита диссертации состоится,,_” _ 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.01 при Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) «МАИ» по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного 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,,_” _ 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125. 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., Кужекиным 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 массогабаритных 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 MATLAB и Mathcad алгоритм позволяет автоматизировать процесс проектирования сплошных экранов бортовых кабелей с требуемыми помехозащищённостью и массогабаритными параметрами;
– разработанная методика проектирования позволяет определять параметры оплёточных экранов бортовых кабелей, при которых обеспечиваются заданная помехозащищённость и массогабаритные параметры при воздействии электростатических разрядов.
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, 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.
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 (ЭМП) (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 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; –q – заряд, расположенный над проводящей поверхностью; + q – фиктивный заряд; i ток разряда; i ' - фиктивный ток разряда; J - скорость распространения заряда;
dz – элемент тока разряда; М ( r0 ; z 0 ) – точка наблюдения; R – расстояние до точки наблюдения; R ' – фиктивное расстояние до точки наблюдения; H аксиальная составляющая вектора напряжённости магнитного поля; A запаздывающий векторный потенциал 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 R = 2 10-2 м. от плазменного канала длиной Н = 0,01 м. для параметров разрядного тока (1) I m = 100 А;
В компьютерной среде MATLAB 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 U н.в.п. ( x ', t ) кабеля с экраном в виде оплётки определяется следующим образом:
Рис. 3. Эквивалентная схема для внутреннего проводника экранированного кабеля в виде электрической цепи с распределёнными параметрами: R 0в.п., L0в.п., G 0в.п., C0в.п. - распределённые параметры внутреннего проводника экранированного бортового кабеля; Z1в.п. ( p ), Z2в.п. ( p ) - операторные нагрузочные сопротивления; eв.п. ( x ', p ) = Zа.св. ( p ) I э. ( x ', p ) - Э.Д.С. на элементарном участке ток, протекающий по экрану кабеля вследствие воздействия ЭСР;
которой аппроксимирует модуль сопротивления связи, представленный аналитической формулой; M = k Zв. – взаимная индуктивность между экраном и внутренним проводником бортового кабеля; k - коэффициент, определяемый свойствами экрана кабеля и учитывающий неоднородности экрана в виде оплётки; Zв. - волновое сопротивление кабеля;
сопротивление плазменного канала ЭСР; C р. - разрядная ёмкость рана кабеля; R 2э., L 2э., C 2э. - соответственно сопротивление, индуктивность и ёмкость заземления экрана кабеля; э. ( p ) = ( R 0э. + pL0э. ) ( G 0э. + pC0э. ) - коэффициент распространения в операторной форме; R 0 э., L 0 э., G 0 э., C 0 э. - первичные параметры экрана бортового кабеля КА.
Пример временной диаграммы импульсного напряжения U н.в.п. ( x ', 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 T 2 p 2 mp n, 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;
Рис. 4. Временная диаграмма модуля импульсного напряжения (3), наведённого на сопротивлении нагрузки Z2в.п. = 0,5 Ом в случае воздействия контактного ЭСР на экран кабеля радиусом r0 = 2 10-3 м., толщиной d = 10-4 м., длиной l = 8 м. при r = 1; Zв. = 50 Ом; k = 4,67 10- L0в.п. » 1,298 10-6 ; G0э. » 1,03 10-4 ; G0в.п. » 2,333 10-4 ; C0э. » 8,006 10-14 ;
C0в.п. » 6,896 10-14. Построение выполнено для следующих параметров ЭСР:
U р. = 10 кВ; R p = 330 Ом; C р. = 150 пФ Рис. 5. Схема для экспериментального исследования частотной характеристики сопротивления связи Zсв. ( f ) : 1 – испытуемый экранированный кабель; 2 – токовый шунт; 3 – высокочастотный генератор сигналов (ГС);
4 – измерительный приёмник (ИП); R н. сопротивление нагрузки R н. 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; R н. = 50 Ом - сопротивление нагрузки (в случае экспериментального определения функции связи экрана бортового кабеля при наличии потенциала на элементе конструкции сопротивление R н. 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; R = 1 МОм - сопротивление нагрузки (в случае экспериментального определения функции связи экрана бортового кабеля при наличии потенциала на элементе конструкции сопротивление R, обозначенное пунктиром, не подключается) Рис. 8. Результат аппроксимации модуля функции связи Fсв.U ( f ) для кабеля с экраном типа «ПМЛ»: 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 MATLAB 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 l = 0,15 м. с экраном типа «ПМЛ» (функция связи приведена на рис. 8), при воздействии на элемент конструкции потенциала U к. ( t ) = U к.m e- t sin 1t, фициентов аппроксимирующей функции T » 2,14168 10-10 с;
m » 3,78898 10-12 с; n » 3,91153 10-5 в результате расчёта составляет ~ 2 В.
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 MATLAB и Mathcad 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: r0 - радиус экрана; d - диаметр проволоки для оплётки; э. - удельную проводимость материала, из которого изготавливается оплётка; N п. - число проволок в жгуте; N ж. - число жгутов; P - число пересечений; K - оптическое перекрытие оплётки; F - заполнение оплётки;
- 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 Zсв. ( ) для образцов кабелей с экранами типа: 3 – «ПМЛ»; 4 – « ПБМсП 610 »; 5 – « ПОМсК 610 »
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.
«