Анализ стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов к факторам электростатических разрядов

Костин Алексей Владимирович - аспирант Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета)

Аннотация: Предложены основные принципы методики теоретической оценки стойкости БА КА к факторам ЭСР. Такая методика позволит решить вопрос о необходимости и достаточности принятых мер по защите БА КА от факторов ЭСР на этапе проектирования последней. В основе методики лежит расчёт отклика контура, состоящего из источника полезного сигнала, нагрузки, сигнального и общего проводов. Под откликом понимается ЭДС, наводимая в контуре.

Ключевые слова: Электростатический разряд, бортовая аппаратура, космический аппарат, экран, электромагнитное поле, электродвижущая сила, прибор, элементы конструкции.

В связи с бурной эволюцией электроники (применением полупроводниковой техники с высокой интеграцией) вновь остро встал вопрос о защите бортовой аппаратуры (БА) космических аппаратов (КА) от воздействий электростатических разрядов (ЭСР). Классической мерой является исключение разности потенциалов между электропроводящими элементами конструкции, для этого все они соединяются между собой (металлизируются). Все электроизоляционные материалы тоже металлизируются путём нанесения токопроводящих покрытий. Металлизировать все элементы конструкции КА удаётся не всегда и ЭСР возникают. ЭСР создают электромагнитные поля (ЭМП), которые воздействуют на БА и могут вызвать сбой последней или даже отказы.

Для исключения воздействия ЭМП приходится экранировать БА. Экранирование подразумевает использование электропроводных корпусов без щелей и отверстий, электропроводных (экранированных) соединителей. Если имеются отверстия в корпусах приборов, то они должны быть выполнены в виде лабиринтов, пройдя через которые ЭМП существенно ослабляются.

Однако, вопрос о необходимости и достаточности принятых мер по защите от ЭСР остаётся открытым на этапе проектирования БА, и подтвердить правильность выбранных конструктивных решений можно только при натурных испытаниях системы. Если на этом этапе будет получен отрицательный результат, то возникнет необходимость доработки БА. Такие доработки вызывают дополнительные затраты и могут даже задержать сдачу изделия. Другое дело, если меры, принятые для защиты от ЭСР, избыточные. Это ведёт к удорожанию приборов, увеличению их массы и габаритов.

Всё это имеет место, так как отсутствует теоретическая методика оценки воздействия ЭСР на БА. В настоящее время в СГАУ, совместно с предприятиями космической отрасли, ведутся работы по исследованию влияния факторов ЭСР на БА КА. На основании результатов исследований разрабатывается методика теоретической оценки стойкости БА к факторам ЭСР, а также рекомендации по применению оптимальных методов защиты. Рассмотрим кратко основные идеи разрабатываемой методики.

Для оценки воздействия полей ЭСР и БА рассматривается как единая система. Схема воздействия ЭМП ЭСР на БА представлена на рисунке 1.
Исходными данными для расчёта являются: известная зависимость разрядной силы тока от времени, расстояние от места возникновения ЭСР, длина дуги ЭСР, конструкция БА. Расчёт проводится в несколько этапов:
Априори определяются функциональные узлы БА, чувствительные к ЭМП, вызванному ЭСР.
Рассчитывается ЭМП ЭСР и картина растекания токов на внешней поверхности корпуса БА при прямом разряде.
Рассчитывается поле внутри корпуса прибора и внутри локальных экранов (ослабленное поле).
Определяется ЭДС помехи в приёмнике.
Определяется реакция функциональных узлов БА на ЭДС помехи.
По результатам расчёта принимается решение о работоспособности БА в условиях воздействии ЭМП, вызванного ЭСР.

Рисунок 1. Схема воздействия  ЭСР на БА

ЭСР могут возникать как между соседними элементами конструкции КА, которые не являются частями рассматриваемого прибора, так и между первыми и корпусом последнего. Назовём их условно непрямой ЭСР и прямой ЭСР соответственно. Непрямой ЭСР воздействует на БА посредством создаваемого ЭМП. Прямой ЭСР может создать токи на поверхности корпуса БА.

Для определения ЭМП ЭСР представляется в виде элементарного электрического излучателя (диполя Герца). Поле последнего описывается выражениями [1]:

(1)

где - комплексная амплитуда тока в вибраторе; r, Θ, ф - координаты сферической системы координат; γ - комплексный коэффициент распространения; l – длина вибратора (длина дуги разряда); ε0 – диэлектрическая постоянная; ω – угловая частота;  - мнимая единица.
При расчёте следует рассматривать только ближнюю зону, и только направление максимума диаграммы направленности (Θ=90˚). В этой части пространства поле будет максимальным (худший вариант). Учитывая, что для вакуума без потерь  (µ0 – магнитная постоянная), а такое допущение можно сделать для среды, в которой функционирует БА КА, выражения (1) примут вид:

(2)

Значение длины дуги разряда определяется с учётом напряжения разряда по известным зависимостям напряжения разряда от величины межэлектродного промежутка [2]. Лучше, если координаты точек, между которыми происходит ЭСР, известны, но зачастую, предсказать их невозможно ввиду сложностей конструкции и процесса электризации КА. Таким образом, кроме длины дуги разряда существует сложность определения расстояния от ЭСР до корпуса БА. За него следует принять расстояние до ближайшего неметаллизированного элемента конструкции КА.
Для аппроксимации импульса разрядного тока использовалось следующее выражение

(3)

где I – амплитуда импульса разрядной силы тока; p1, p2 – коэффициенты, отвечающие за длительность самого импульса и его переднего фронта.

Корпуса БА КА изготавливаются, как правило, из электропроводящих материалов или покрываются им (с целью металлизации), и являются электромагнитными экранами. Ослабление ЭМП корпусом и локальными экранами (если таковые имеются) определяется через эффективность экранирования. Эта величина является отношением напряжённости поля какой-либо точки наблюдения при отсутствии экрана к напряжённости поля в той же точке при наличии экрана [3]. Здесь имеется ввиду, что точка наблюдения находится внутри экрана, а источник поля действует на экран с внешнего пространства.

Поле внутри экрана будет являться суперпозицией двух составляющих. Условно назовём их диффузионной и дифракционной. Диффузионная составляющая вызвана проникновением внешнего поля внутрь сквозь стенки. Дифракционная-вызвана проникновением через неоднородности (отверстия и щели), которые полностью исключить не удаётся. Методика расчёта поля достаточно сложна и в настоящей статье не приводится. Она подробно описана в [4].

Даже если все детали корпуса БА металлизированы, она не застрахована от прямых разрядов, т. е. разрядов непосредственно в корпус. Это связано с тем, что неметаллизированные элементы конструкции КА могут разрядиться в корпус БА. В процессе прямого ЭСР по корпусу БА текут токи. Определив эти токи, можно найти поле внутри корпуса.

Для получения картины растекания токов по корпусу БА от ЭСР целесообразно использовать модель сосредоточенных элементов. Суть модели заключается в том, что составляются эскизные чертежи мозаики внешней поверхности корпуса БА. При необходимости проводится кусочно-линейная аппроксимация реальных поверхностей корпусов БА сложной формы. Затем корпус разбивается на элементарные геометрические фигуры.

Набор элементарных фигур преобразуется в поверхностную сетку: совокупность связанных узлов. При этом каждая связь (ветвь) представляется в виде элементов электрической цепи, номиналы которой рассчитываются с учетом геометрии данного элемента и его материала, образующих в целом эквивалентную электрическую схему поверхности БА. Таким способом проводится синтез структурной электрофизической модели. Для наглядности на рисунке 2 приведен пример преобразования простой геометрической модели поверхности БА КА в эквивалентную электрическую схему.

Значения токов, текущих по корпусу, рассчитываются методом теории цепей. При определении номиналов эквивалентных сопротивлений схемы необходимо помнить, что переменные токи текут по поверхности электропроводящих материалов. Чем ниже частота, тем больше глубина проникновения. Другими словами, не только реактивное, но и активное сопротивление будет зависеть от частоты. Поскольку спектр ЭСР достаточно широк, то пренебрегать этим нельзя.

Рисунок 2. Преобразование простой геометрической модели поверхности БА КА в эквивалентную электрическую схему

Число разбиений по каждому элементу определяется исходя из требуемой точности вычислений. Однако, следует иметь в виду, что при увеличении степени дискретизации резко возрастает количество электрических элементов в эквивалентной электрической схеме, представляющей всю поверхность корпуса. Это может значительно увеличить время расчета токов. В случае необходимости можно увеличить степень дискретизации необходимого участка поверхности. Для этого каждый элемент разбивается дополнительно на определённое количество элементов.
Поле будет также проникать внутрь сквозь стенки и через неоднородности.

По рассчитанному полю внутри экрана определяются ЭДС помех наводимых в приёмниках. Приёмниками помех являются токовые контуры, состоящие из источников сигналов нагрузок, сигнальных и общих проводов (см. рисунок 3). ЭДС помех определяется по закону Фарадея [1]

(4)

где B - магнитная индукция, H - напряжённость электрического поля,µ -относительная магнитная проницаемость, t – время, S – площадь, ограниченная контуром. Нагрузкой в этих контурах являются функциональные узлы, чувствительные к ЭМП вызванному ЭСР, определённые на этапе 1 расчёта.
Если представить, что поле внутри экрана или корпуса БА однородное, а вектор  расположен перпендикулярно S, то выражение (6) существенно упрощается

(5)

В реальных электромагнитных экранах поле однородным, конечно, не будет, но при определённых условиях такое допущение может быть справедливым.

Рисунок 3. Токовый контур (приёмник помехи)

Для оценки реакция функциональных узлов БА на ЭДС помехи используют либо найденный спектр помехи, либо зависимость ЭДС помехи от времени. При оценке анализируются комплексные воздействия полезных сигналов и помех на вход функциональных узлов БА. Рассмотрим пример. Выделим произвольный фрагмент функциональной схемы, имеющий вид N четырёхполюсников, соединённых каскадно. Представим его в виде эквивалентной схемы, показанной на рисунке 4.

Рисунок 4. Эквивалентная схема

В каждом каскаде есть источник ЭДС ес(t) с внутренним сопротивлением rс, который имитирует источник выходного сигнала каскада. Между каскадами включен источник еп(t), который имитирует помеху, наводимую в проводах или печатных проводниках, соединяющих каскады. uвх(t) и uвых(t) - входные и выходные напряжения каскадов. uвх1(t) является входным напряжением прибора, а uвыхN(t) является выходным напряжением прибора. Воспользовавшись математическим аппаратом теории цепей, можно найти выходной сигнал прибора

 

(6)

где i – номер каскада (i=1...N).

Аналогичное выражение можно записать для любого фрагмента функциональной схемы с разным количеством многополюсников, соединённых любым образом. По результату принимается решение о работоспособности функционального узла и всей БА в условиях воздействия факторов ЭСР, и необходимости дополнительной защиты.

Таким образом, предлагаемая методика позволит исключить необходимость доработки приборов по результатам натурных испытаний, оптимизировать конструкцию с точки зрения защиты от факторов ЭСР, тем самым сэкономить деньги и время.

Список литературы
1. Фёдоров   Н.Н.  Основы  электродинамики:  Учебное  пособие  для  вузов.-М.:  Высшая школа, 1980.-399 с.
2. Энгель А. Ионизированные газы/Перевод с англ.-М.: Физмат, 1959.- 332 с.
3. Полонский   Н.Б.   Конструирование   электромагнитных   экранов   для радиоэлектронной аппаратуры.-М.: Сов. радио, 1979.-216 с.
4. Кокшаров А.М. Импульсные электромагнитные поля внутри неоднородных экранов. Монография.-М.: ВА РВСН им. Петра Великого, 1998.-312 с.