На правах рукописи

Агапов Василий Васильевич

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРАНСФОРМАЦИИ ТОКА В

БОРТОВОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

Работа выполнена на кафедре «Общей и физической химии» Московского государственного института электроники и математики (технического университета).

Научный руководитель: д.т.н., профессор Саенко В.С.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Нефедов В.И.

д.т.н., профессор Кириллов В.Ю.

Ведущая организация: ФГУП Московский научно-исследовательский радиотехнический институт

Защита состоится «23» июня 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 Московского государственного института электроники и математики (технического университета) по адресу:

109028, г. Москва, Б. Трёхсвятительский пер., д.

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

Автореферат разослан «19» мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Грачев Н.Н.

к.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Электризация высокоорбитальных космических аппаратов (КА) определяется воздействием на поверхность аппаратов потоков электронов и ионов космической плазмы.

Это приводит к дифференциальному заряжению элементов КА и, как следствие, возникновению между элементами КА, изготовленными из различных диэлектрических материалов, значительных разностей потенциалов (до 10 кВ). Когда уровни максимальной напряженности электрического поля начинают превышать уровень критического поля в диэлектрике, происходят электростатические разряды (ЭСР). В результате по конструкции КА протекают импульсные токи, являющиеся источниками электромагнитных помех (ЭМП).

Основными рецепторами электромагнитных помех от конструкционных токов являются фрагменты бортовой кабельной сети (БКС), проложенные по внешней поверхности КА. В этих фрагментах БКС индуцируются значительные (единицы и десятки вольт) импульсные ЭДС, поступающие на входы блоков бортовой радиоэлектроники. В результате происходит нарушение режимов работы бортовой аппаратуры в виде кратковременных сбоев и отказов, искажений информационных сигналов и сигналов управления. Кроме того, возможны несанкционированные срабатывания бортовых устройств и необратимые катастрофические отказы бортовой аппаратуры.

В нашей стране этим проблемам посвящены работы Е.Д. Пожидаева, Л.Н. Кечиева, В.Ю. Кириллова, А.И. Акишина, Л.С. Новикова, А.П. Тютнева, Г.В. Бабкина, Е.П.

Морозова, А.Н. Доронина, Е.В. Никольского, Д.Н. Садовничего, И.А. Смирнова и других.

Среди зарубежных специалистов можно отметить С. Фрэнкеля, Э. Вэнса, К. Кейси, Е.

Ноулса, Л. Олсона, Г. Отта. Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику защиты бортовой аппаратуры от ЭСР.

Однако существующие в настоящее время методы расчета уровней помеховых сигналов в БКС от ЭСР не обладают достаточной точностью. Специалисты Европейского космического агентства провели расчеты уровней помеховых сигналов в кабельных системах КА на основе структурной электрофизической модели, которая в зарубежной литературе называется методом сосредоточенных элементов. Исходным материалом для расчета служила картина растекания токов по поверхности КА, полученная с помощью программ «STRUKELEC» и «ESACAP». Взаимная индукция фрагмента БКС и участка корпуса КА была рассчитана с помощью программы «MUTUAL» путем численного интегрирования магнитного потока, наводимого конструкционными токами.

Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными показало, что при расчете уровня помехи для постоянной плотности тока в пластине расчетное значение помехи превышает экспериментальные данные на 3 дБ. В случае учета скин-эффекта расчетный уровень помехи был меньше экспериментально определенного на 15 дБ. Таким образом, существующие расчетные методы не обеспечивают достаточную точность и требуют дальнейшего улучшения.

Здесь следует подчеркнуть следующее. Если расчетный уровень помехи больше, реального, то на разработку и изготовление электронного блока, стойкого к повышенному уровню помех, необходимо затратить больше средств. В том случае, если расчет покажет заниженное значение помехи на входе электронного блока, то изготовленный по такому ТЗ электронный блок не будет обладать достаточной помехоустойчивостью при возникновении ЭСР. Поэтому решение актуальной задачи повышения точности расчетов уровня помех на входах электронных блоков бортовой РЭА КА путем разработки новых методов позволяет повысить стойкость этих блоков к помехам от электростатических разрядов, что, в конечном счете, приводит к увеличению срока активного существования высокоорбитальных КА.

Цель работы Целью диссертационной работы является повышение точности расчетов уровня помех на входах электронных блоков бортовой РЭА КА путем разработки метода определения коэффициента трансформации тока, протекающего по корпусу космического аппарата от электростатического разряда, в напряжение помехи в БКС.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе последовательно решены следующие задачи:

проведен обзор и анализ опубликованных литературных данных по воздействию электростатических разрядов на кабельную сеть и бортовую РЭА КА, и на этой основе сформулированы основные задачи диссертационной работы;

предложена модель воздействия ЭСР на БКС КА;

на основе предложенной модели разработан метод определения коэффициента трансформации тока, протекающего по корпусу КА от ЭСР, в напряжение помехи в БКС, коммутирующей блоки БРЭА;

разработана методика и алгоритм определения коэффициента трансформации тока, а также проведена их реализация для аттестации штатных кабелей конкретного КА;

разработанные метод и методика определения коэффициента трансформации тока внедрены в производство изделий космической техники на НПО им. С.А.

Лавочкина. С их помощью были аттестованы штатные кабели КА «Спектр-Р».

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

Научная новизна 1. Разработан метод определения коэффициента трансформации тока, протекающего по корпусу КА от ЭСР, в напряжение помехи в БКС, коммутирующей блоки БРЭА, позволяющий снизить погрешность расчета уровней помеховых сигналов в БКС КА с (-3…+15) дБ до (-3…+2,3) дБ. Разработанный метод базируется на:

преобладание магнитной составляющей электромагнитного поля в наводке от ЭСР в кабельных системах космических аппаратов;

расчете двумерной картины растекания токов от ЭСР по поверхности плоской проводящей пластины и экспериментальном подтверждении адекватности полученной с помощью расчетных данных картине распределения магнитной индукции и напряженности магнитного поля вокруг плоской проводящей 2. Разработана методика экспериментального определения коэффициента космического аппарата, от ЭСР в напряжение наводки во фрагментах БКС, проложенных по этим элементам, позволяющая пополнять разработанную базу данных для БКС КА, коммутирующих блоки БРЭА.

3. Разработана база данных коэффициентов трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности КА от ЭСР, в напряжение наводки во фрагментах БКС, вошедшая составной частью в ПО «Satellite-MIEM», которое основано на структурном электрофизическом моделировании и предназначено для расчета наводок в штатных кабелях КА на этапе эскизного проектирования. Это позволило значительно увеличить точность расчетов уровней помех в БКС КА от ЭСР.

Практическая полезность 1. Разработан оригинальный способ определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, а также оригинальное устройство для его осуществления. Патенты № 75477 от 10.08.2008 г., № 2378657 от 10.01.2010 г.

2. Разработаны и реализованы для аттестации штатных кабелей конкретных КА методика и алгоритм определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата от электростатического разряда, в напряжение помехи во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по этим элементам.

3. Разработана база данных коэффициентов трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по этим элементам. Указанная база данных зарегистрирована в Государственном реестре за № 2009620068 от 03.02.2009 г.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная модель воздействия ЭСР на БКС КА, показывает преобладание магнитной составляющей электромагнитного поля в наводке от ЭСР в кабельных системах космических аппаратов.

2. Рассчитанная двумерная картина растекания токов от ЭСР по плоской проводящей пластине и экспериментальные измерения величин токов растекания на различных участках поверхности пластины подтверждает адекватность предложенной модели, и составляет основу разработанного метода определения коэффициента трансформации тока.

3. Разработанный автором оригинальный метод (Патент № 2378657 от 10.01.2010 г.) определения коэффициента трансформации тока, протекающего по корпусу КА от ЭСР, в напряжение помехи в бортовой кабельной сети, коммутирующей блоки БРЭА, позволяет снизить погрешность расчета уровней помеховых сигналов в БКС космических аппаратов с (-3…+15) дБ до (-3…+2,3) дБ.

4. Разработанные методика и алгоритм определения коэффициента трансформации тока протекающего по элементам внешней поверхности КА, в напряжение наводки во фрагментах БКС, проложенных по этим элементам, позволяют пополнять базу данных (Свидетельство о государственной регистрации № 2009620068 от 03.02.2009 г.) для БКС КА, коммутирующих блоки БРЭА.

Реализация и внедрение основных результатов работы Научные результаты внедрены в производство изделий космической техники на НПО им. С.А. Лавочкина, а также в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики (технического университета).

Апробация результатов работы Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на:

XVII, XVIII и XIX Международных совещаниях «Радиационная физика твердого тела», г. Севастополь, в 2007, 2008 и 2009 гг.;

Десятой российской научно-технической конференции совместимость технических средств и электромагнитная безопасность», г. СанктПетербург, в 2008 г.;

Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, г. Москва, в 2007, 2008 и 2009 гг.

Публикации По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в т.ч. 7 тезисов докладов и материалов конференций по итогам научных совещаний, 3 статьи, из них одна в журнале, включенном в перечень ВАК, а также получены 2 патента (один на полезную модель, один на изобретение). Кроме того, созданная в рамках работы над диссертацией база данных имеет государственную регистрацию.

Структура диссертационной работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 120 наименований. Объем работы – 152 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, определена направленность ее результатов и рассмотрено логическое построение работы по главам.

В первой главе проведен обзор и анализ проблемы электромагнитных помех в бортовой кабельной сети космических аппаратов, вызываемых электростатическими разрядами. Рассмотрены пути проникновения электромагнитных помех в кабельные системы КА, приведена классификация рецепторов помех и методы расчета наводок в БКС, рассмотрены механизмы воздействия ЭМП на кабельные экраны, а также рассмотрены экспериментальные способы определения наводок в кабельных системах.

В связи с ростом сложности, увеличением плотности компонентов, уменьшением потребляемой мощности, малыми значениями информационных сигналов элементов и устройств бортовых систем современных летательных аппаратов, подверженных явлению электризации, возрастает актуальность исследований электромагнитных помех в бортовой кабельной сети космических аппаратов, вызываемых электростатическими разрядами.

Электростатические разряды, возникающие вследствие дифференциальной зарядки КА, являются источниками электромагнитных помех, воздействующих на отдельные элементы и устройства бортовых систем в целом.

Электромагнитные помехи могут приводить к нарушению режимов работы бортовых систем в виде кратковременных сбоев и отказов, искажению информационных сигналов и сигналов управления, появлению ложных срабатываний бортовых устройств.

Проникновение помеховых сигналов через экраны кабелей зависит от свойств сигнала и качества экрана. На практике широкое применение получили металлические оплетки из тонких проволок или лент. Экранирующие оплетки кабелей такого типа имеют отверстия, через которые в кабель проникают как электрические, так и магнитные поля. В общем случае оплетки кабелей эффективно подавляют электрические составляющие полей и хорошо ослабляют наводки, обусловленные емкостными связями. Магнитные составляющие полей и наводки от них кабельные экраны из оплеток ослабляют намного хуже: в основном из-за увеличения поверхностного сопротивления оплетки. Также одной из наиболее распространенных причин возникновения помех является проникновение внешнего сигнала через разъемы кабелей.

К источникам ЭМП относятся разряд в окружающее пространство, скользящий разряд вдоль поверхности диэлектрика и пробой диэлектрика. Каждый из трех видов разрядов может приводить к возникновению электромагнитных помех с большим радиусом действия, а сила разрядного тока достигает 100 A. Однако до настоящего времени не выяснено, какая часть заряда, в действительности, переходит в проводник с реальными геометрическими параметрами кабеля.

Существует четыре механизма воздействия электромагнитных импульсов на кабели: ток бомбардировки, воздействие магнитного поля, воздействие электрического поля и непосредственное воздействие разряда на кабель. Наиболее распространенными механизмами возникновения помех в кабелях являются воздействие электрическим и магнитным полями, изменение характера поля которых определяется расстоянием до источника помехи.

Анализ более ранних научных работ показал, что основным экспериментальным способом определения наводок в кабельных системах является квадраксиальный метод, позволяющий проводить исследования образцов кабелей без ограничения их длины в диапазоне частот до 100 МГц. Однако попытки найти в литературе метод определения наводок в кабеле при протекании импульсного тока по пластине, на которой этот кабель расположен, показали, что таких методов не найдено.

Также для исследования электромагнитных наводок в бортовой кабельной сети применяется метод структурного электрофизического моделирования (СЭМ), который основан на представлении конструкции космического аппарата в виде эквивалентной электрической схемы, состоящей из R, L и C элементов. Однако приемлемой точности этот метод не обеспечивает, поэтому без определения коэффициента трансформации тока, протекающего по корпусу космического аппарата в напряжение помехи в кабеле, невозможно с приемлемой точностью рассчитать наводки в бортовой кабельной сети с помощью СЭМ.

На основе проведенного анализа сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы.

Во второй главе обсуждается предложенная автором модель воздействия ЭСР на БКС КА. Рассмотрена дифференциальная зарядка поверхности КА, а также механизмы проникновения ЭМП от ЭСР в БКС. Показано, что основной вклад в паразитную наводку в кабеле вносит магнитная составляющая электромагнитного поля. Проведено моделирование существующих физических связей на поверхности КА с помощью эквивалентных электрических схем. Выполнен аналитический расчет двумерной картины растекания токов по поверхности плоской проводящей пластины от ЭСР, а также проведена экспериментальная проверка выполненных расчетов.

В общем случае растекание токов от ЭСР по корпусу КА представить в виде одной линии нельзя. Для определения напряжения наводки в БКС необходимо учитывать конфигурацию поверхности космического аппарата, наличие отверстий в экранах кабелей, которые являются основными причинами проникновения энергии разряда внутрь кабеля и воздействия бортовую радиоэлектронную аппаратуру, а также картину растекания токов.

Однако для упрощенного рассмотрения существующих физических связей было положено, что путь тока от ЭСР может быть представлен в виде одной линии и совпадает с направлением прокладки кабеля.

Рис. 1. Модель поверхности КА с размещенным на ней фрагментом кабеля На рис. 1 представлена модель поверхности КА с размещенным на ней фрагментом кабеля. Электромагнитное поле, создаваемое импульсным током от ЭСР вокруг поверхности КА, проникает через экран кабеля и генерирует в жилах напряжение наводки. Передний фронт помехового импульса составляет 3 нс, что соответствует граничной частоте около 300 МГц, следовательно, поле, создаваемое электростатическим разрядом на поверхности КА, является ближним, и при воздействии на кабель преобладает магнитная составляющая.

Картина поля представляет собой семейство эквипотенциальных и силовых линий, создаваемых двумя линейными зарядами. Эквипотенциальные поверхности в поле двух одинаковых по величине и противоположных по знаку линейных зарядов представляют собой круглые цилиндры. Силовые линии также представляют собой семейство окружностей, проходящих через места расположения зарядов.

Полученная в ходе аналитического расчета двумерная картина растекания токов по поверхности плоской проводящей пластины от электростатического разряда представлена на рис. 2. Как видно из полученных результатов, максимальный уровень плотности тока (более светлый цвет) наблюдается вблизи точек входа и выхода тока. По мере отдаления от каждого из зарядов, плотность тока начинает падать, при этом более резкое снижение i наблюдается при движении в противоположные стороны от точек входа выхода тока. При движении вдоль линии, соединяющей эти точки, плотность тока сначала плавно снижается, а затем вновь возрастает до максимального значения - 6, 468 103 А / м.

Рис. 2. Картина растекания токов по поверхности плоской проводящей пластины, С целью контроля достоверности полученной аналитическим способом картины поля на поверхности плоской проводящей пластины, на специально изготовленном макетном стенде, представленном на рис. 3, была проведена экспериментальная проверка результатов расчета. На листе фольгированного стеклотекстолита в соответствии с полученной аналитическим способом картиной поля, были припаяны выводы, рис. 4.

Рис. 3. Макетный стенд для измерения величин токов растекания на различных участках Рис. 4. Картина эксперимента по измерению величин токов растекания на различных На время эксперимента к выводам 1-4 прикладывалось постоянное напряжение и с помощью вольтметра электрометрического измерялось падение напряжения между точками 2-3, 5-6, 7-8, 9-10, 11-12. Результаты измерений показали, что теоретические и экспериментальные значения совпадают с погрешностью менее 12 %, что служит хорошим подтверждением расчетов.

В третьей главе предложен метод определения коэффициента трансформации тока в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети космических аппаратов.

Приводится описание оригинального испытательного стенда для определения коэффициента трансформации тока в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети космических аппаратов. Кроме того, проведены исследования зависимостей напряжения наводки в кабеле от расстояния до макетного стола измерительного стенда, напряжения наводки в кабеле от длины и ширины макетного стола, а также зависимость частоты напряжения наводки от длины кабеля и зависимость напряжения наводки от числа слоев оплетки кабеля.

Коэффициент трансформации тока протекающего по элементу поверхности космического аппарата в напряжение наводки во фрагменте бортовой кабельной сети – это напряжение электромагнитной наводки во фрагменте БКС единичной длины при импульсном токе с единичной амплитудой, протекающем по элементу поверхности.

Для экспериментального определения этих коэффициентов предложен оригинальный [7] испытательный стенд, позволяющий автоматически учитывать влияние скин-эффекта на результаты измерений. Это достигается тем, что испытуемый фрагмент БКС располагается на сменном рабочем столе, который изготовлен из того же материала, что и элемент корпуса КА, по которому этот фрагмент БКС проложен. Поскольку воздействующий при испытаниях импульсный ток идентичен току при ЭСР в натурных условиях, происходит автоматический учет скин-эффекта. Это значительно повышает точность расчетов сигналов помех во фрагментах БКС КА при ЭСР. Стендовые испытания, проведенные на конкретном КА показали, что погрешность таких расчетов не превышает 30 %.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности КА, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах БКС, согласно предложенному изобретению испытуемый кабель размещают на средстве, имитирующем элемент внешней поверхности КА. Испытуемый фрагмент БКС с двух сторон нагружен на сопротивления, имитирующие реальную рабочую нагрузку, генерируют импульсный ток, параметры импульса которого соответствуют реальным параметрам электростатических разрядов на поверхности КА, пропускают импульсный ток с амплитудным значением I по средству, имитирующему элемент внешней поверхности КА, измеряют напряжение электромагнитной наводки U в испытуемом фрагменте БКС и определяют значение коэффициента трансформации тока K тр, протекающего по средству, имитирующему элемент внешней поверхности КА, длиной L, в напряжение электромагнитной наводки в испытуемом фрагменте БКС, из соотношения где K тр – значение коэффициента трансформации импульсного тока в напряжение наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети;

I – амплитудное значение импульсного тока;

U – напряжение электромагнитной наводки;

L – длина средства, имитирующего элемент внешней поверхности космического При этом значения параметров разряда импульса выбирают из условий: амплитуда тока разряда – (10 – 100) А, длительность импульса – (30 – 1500) нс, длительность фронта – (1 – 20) нс, энергия разряда до (0,02 – 0,2) Дж.

Сущность изобретения поясняется чертежом (рис. 5), где представлена блок-схема устройства, реализующего способ.

Рис. 5. Блок-схема измерительного стенда для определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам поверхности космического аппарата, в напряжение помехи во фрагментах бортовой кабельной сети. 1 – испытательный генератор помех; 2 – сменный рабочий стол; 3 – эквивалентная нагрузка кабеля в защитном экране; 4 – фрагмент испытуемого кабеля; 5 – осциллограф Tektronix 3032B.

Разработанный испытательный стенд состоит из автономного испытательного генератора помех (1), который питается от аккумуляторной батареи и обеспечивает характеристики разрядного импульса, имитирующего реальные параметры электростатических разрядов на поверхности космического аппарата. Генерируемый импульсный ток протекает по рабочему столу (2), имитирующему элемент внешней поверхности КА, на котором расположен испытуемый фрагмент бортовой кабельной сети (4). Нагрузка проводов кабеля, в которых измеряется сигнал помехи, имитирует соответствующую реальную нагрузку от электронных блоков, коммутирующих данный фрагмент БКС. Места присоединения имитаторов нагрузки к фрагменту БКС и место подключения кабеля от измерителя сигнала помехи – осциллографа Tektronix 3032B (5) – экранируются защитными кожухами (3).

Кроме того, с помощью программы Elcut, предназначенной для моделирования двумерных полей методом конечных элементов, была получена картина распределения напряженности магнитного поля и магнитной индукции вокруг плоской проводящей пластины, имитирующей участок внешней поверхности КА (рис. 6). Полученные результаты подтверждают, что основной вклад в уровень наводки в кабеле вносит магнитная составляющая поля.

Рис. 6. Картина распределения магнитной индукции вблизи макетного стола измерительного комплекса, имитирующего участок внешней поверхности корпуса КА В работе также проведено экспериментальное исследование уровней электромагнитной наводки, возникающей при электростатических разрядах, вызванных электризацией в штатных кабельных системах летательных космических аппаратов. В качестве образца для испытаний был взят коаксиальный кабель.

Исследование зависимости напряжения наводки в кабеле от расстояния до макетного стола измерительного стенда показало, что по мере отдаления кабеля от поверхности стола – источника возмущения, уровень наводки в нем снижается, причем практически линейно. Максимальное значение напряжения помехи зафиксировано в тот момент, когда кабель находился на поверхности стола – 500 мВ. На расстоянии в 10 см от источника возмущения, напряжение помехи снизилось до 160 мВ. При дальнейшем отнесении кабеля от поверхности макетного стола напряжение наводки спадает до нуля.

Исследование зависимости напряжения наводки в кабеле от длины и ширины макетного стола измерительного стенда показало, что зависимость напряжения наводки от длины пластины логарифмическая, а помехозащищенность кабеля от ЭСР уменьшается пропорционально увеличению длины пластины.

Исследование зависимости частоты напряжения наводки от длины кабеля показало, что с увеличением длины кабеля частота наводки уменьшается, а наиболее заметный спад наблюдается при длинах кабелей до 2 м. Стоит отметить, что разница между уровнем помехи в кабеле длиной 1 м и кабеле длиной 8,5 м, составляет порядка 30 дБ.

Исследование зависимости напряжения наводки от числа слоев оплетки кабеля показало, что помехозащищенность коаксиального кабеля с одиночной экранировкой хуже аналогичного показателя кабеля с тройной экранировкой приблизительно на 40 дБ.

Кроме того, постоянная времени затухания помехового сигнала в кабеле с тройной экранировкой происходит быстрее, нежели в кабеле с одним экраном, а максимальная амплитуда наводки практически не зависит от сопротивления нагрузки, что свидетельствует о магнитном характере помехи.

В четвертой главе предлагается методика и алгоритм проведения автономных испытаний фрагментов БКС на стойкость к воздействию ЭСР с помощью оригинального испытательного генератора помех ИГП-2 «Дуга» (рис. 7; рис. 8) [13], а также проведена их реализация для аттестации штатных кабельных систем КА.

Рис. 7. Внешний вид измерительного комплекса ИГП-2 «Дуга»

Рис. 8. Макетный стол измерительного комплекса ИГП-2 «Дуга» для испытания на электростатическую чувствительность кабельных систем Блок-схема методики проведения автономных испытаний фрагментов БКС на стойкость к воздействию ЭСР представлена на рис. 9. Как показала практика, предложенная методика, а также устройство и способ определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности КА, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах БКС, требует меньших затрат времени, чем разработанные ранее методики.

Полученные таким образом значения коэффициентов трансформации тока в напряжение наводки во фрагментах БКС, времена затухания помех, осциллограммы помех и другие параметры вошли в специально разработанную базу данных [8], содержащую в себе набор справочных материалов по результатам проведенных исследований, предназначенный для расчета наводок во фрагментах бортовой кабельной сети космических аппаратов. Функциональные возможности базы данных: оперативный поиск данных, фильтрация данных, управление данными, математическая обработка данных.

Использование коэффициента трансформации в ПО «Satellite-MIEM» значительно повышает точность расчетов уровней помех на входах электронных блоков бортовой РЭА КА, позволяет оптимизировать стоимость изготовления и стойкость этих блоков к помехам от электростатических разрядов, что, в конечном счете, приводит к увеличению срока активного существования высокоорбитальных КА.

генератора помех ИГП-2 «Дуга». диэлектрических элементов с шагом Объектом испытаний являются мм. Надежность крепления проверяется кабельные системы, размещаемые визуально по плотности прилегания системах проводится оператором испытаний, а также конкретные варианты с использованием осциллографа конструктивного выполнения кабельных В случае обнаружения отказов или сбоев в работе ИГП-2 оператор совместно с разработчиками проводит Результаты испытаний и рекомендации анализ причин их возникновения, и оформляются в виде графиков, таблиц и устранению отказов и сбоев. После чего испытания могут быть продолжены.

Рис. 9. Блок-схема методики проведения автономных испытаний фрагментов БКС на Совместно с программным обеспечением «Satellite-MIEM» разработанная база данных составляет вычислительный комплекс для расчета уровней помеховых сигналов во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по внешней поверхности космического аппарата.

В заключении сформулированы выводы по диссертационной работе в целом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие результаты:

1. Выполнен обзор и анализ опубликованных литературных данных по воздействию электростатических разрядов на кабельную сеть и бортовую РЭА КА, и на этой основе сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

2. Предложена модель воздействия ЭСР на БКС КА. Показано, что наводка в кабеле от тока, протекающего по корпусу КА, осуществляется через магнитное поле.

3. По предложенной модели выполнены количественные расчеты двумерной картины растекания токов по поверхности плоской проводящей пластины.

4. На специально изготовленном макетном стенде выполнены экспериментальные измерения уровней токов растекания на различных участках поверхности пластины. Показано, что теоретические и экспериментальные значения совпадают с погрешностью не более 12 %.

5. С использованием программы ELCUT получены данные по распределению напряженности магнитного поля и магнитной индукции вокруг плоской проводящей пластины. Полученные теоретические и экспериментальные результаты легли в основу оригинального метода определения коэффициента трансформации тока.

6. Разработан метод определения коэффициента трансформации тока, протекающего по корпусу КА от ЭСР, в напряжение помехи в БКС, коммутирующей блоки БРЭА, позволяющий снизить погрешность расчета уровней помеховых сигналов в БКС КА с (-3…+15) дБ до (-3…+2,3) дБ, и оригинальное устройство для его реализации.

Устройство и способ проведения испытаний защищены двумя патентами РФ.

7. Разработаны и реализованы для аттестации штатных кабелей конкретных КА методика и алгоритм определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по этим элементам, и позволяющие пополнять базу данных для БКС КА, коммутирующих блоки БРЭА.

8. Разработано программное обеспечение, представляющее собой базу данных коэффициентов трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по этим элементам. Указанное программное обеспечение прошло государственную регистрацию.

9. Методика и алгоритм определения коэффициента трансформации тока, внедрены в производство изделий космической техники на НПО им. С.А. Лавочкина. С их помощью были аттестованы штатные кабели КА «Спектр-Р».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Агапов В.В., «Аналитический расчет картины растекания тока по поверхности плоской проводящей пластины», Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Тезисы докладов. М.: МИЭМ, 2007.

2. Королев Н.А., Никитенко В.Р., Агапов В.В., Тютнев А.П., «К вопросу о критериях реализации квазиравновесного транспорта в полимерах», Радиационная физика твердого тела. Труды XVII международного совещания. Севастополь. 2007.

3. Агапов В.В., «Методика проведения автономных испытаний БКС на стойкость к воздействию ЭСР», Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Тезисы докладов. М.: МИЭМ, 2008.

4. Агапов В.В., Саенко В.С., Соколов А.Б., «Исследование эффективности экранирования помехового сигнала от электростатического разряда», Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств.

Сборник научных трудов. М.: МИЭМ, 2008. стр. 105-111.

5. Агапов В.В., «Экспериментальное определение эффективности экранирования фрагментов кабельных систем космических аппаратов», Радиационная физика твердого тела. Труды XVIII международного совещания. Севастополь. 2008. стр.

378-382.

6. Агапов В.В., «Измерение напряжения наводки во фрагментах бортовой кабельной сети космических аппаратов», Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность. Сборник докладов десятой российской научно-технической конференции. Санкт-Петербург. 2008.

7. Агапов В.В., Марченков К.В., Саенко В.С., Соколов А.Б., Устройство для определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети // Патент на полезную модель № 75477 от 10 августа 2008 года. Москва. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

8. Агапов В.В., Востриков А.В., Саенко В.С., Соколов А.Б., «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.

Москва. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

9. Агапов В.В., «Исследование экранирующих характеристик БКС при импульсном воздействии», Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. М.: МИЭМ, 2009.

10. Агапов В.В., Саенко В.С., Соколов А.Б., «Экспериментальное определение коэффициента трансформации тока в напряжение помех во фрагментах кабелей бортовой аппаратуры», Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств. Сборник научных трудов. М.: МИЭМ, 2009. стр. 23-26.

11. Агапов В.В., «Метод определения помех от электростатических разрядов в бортовой кабельной сети космических аппаратов», Радиационная физика твердого тела. Труды XIX международного совещания. Севастополь. 2009.

12. Агапов В.В., «Испытательный стенд для определения помех от электростатических разрядов в кабелях космических аппаратов», Технологии ЭМС №2 (29), М.: Изд-во «Технологии», 2009. стр. 72-75.

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