Обеспечение стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов

Рис. 2.2. Изменение во времени РЭ модельного полимера с учетом генерации радиационных ловушек при различных gt/g0 (gt - скорость генерации радиационных ловушек).. = 0 (1), 0.0001 (2), 0.001 (3), 0.01 (4), 0.1 (5) и 1.0 (6). Время облучения 105 с. Все кривые относятся к облучению исходного полимера. Скорость объемной генерации носителей заряда 31022 м-3 с-1

В главе проведен анализ методов расчета внутренних электрических полей в диэлектрических средах, подвергающихся воздействию ионизирующих излучений с различной проникающей способностью. Подробно рассмотрен основной случай, наиболее часто встречающийся при воздействии электронов космической плазмы на полимерные диэлектрики КА. Это режим равномерной высокоэнергетической инжекции (РОВИ) который предполагает, что как мощность дозы R0, так и скорость объемной инжекции избыточных носителей заряда Q0 постоянны по толщине облучаемого слоя.

Распределение напряженности электрического поля внутри диэлектрика имеет следующий вид:

где х - отсчитывается от средней плоскости слоя; - установившееся значение РЭ.

Использование модели РФВ для расчета в диэлектрике с монополярной проводимостью, приводит к выражению:

Здесь Go - скорость однородной объемной генерации свободных носителей заряда, пропорциональная мощности дозы R0 и зависящая от условий облучения (температуры Т, напряженности электрического поля), S0 - скорость инжекции электронов, - дисперсионный параметр.

Окончательно получаем, что зависимость Fm от J0 (плотность тока инжекции электронов из космической плазмы) имеет вид:

и хорошо согласуется с экспериментальными данными.

В главе представлен расчет полей в ЭВТИ КА для условий наихудшего случая. Рассмотренные выше методы расчета электрических полей в облученных полимерах позволяют проследить кинетику накопления объемных зарядов и изменение во времени электрического поля как внутри облучаемого объекта, так и вне его.

В главе также показано, что благодаря наличию термоциклирования за время пребывания внешних диэлектрических покрытий на свету при температуре порядка 80є С в промежутке времени между двумя суббурями происходит полный отжиг дозовых эффектов, полученных в результате прохождения очередной суббури на теневом секторе орбиты КА. Именно на этом участке траектории поверхностный потенциал внешних диэлектрических покрытий достигает своего максимального значения (порядка нескольких киловольт) вследствие резкого снижения как радиационной, так и темновой проводимостей. Наличие отжига дозовых эффектов позволяет несколько снизить этот поверхностный потенциал, но главное, что этим достигается ограничение дополнительного снижения РЭ при последовательном прохождении ряда суббурь.

С точки зрения обеспечения работоспособности КА критической является ситуация, при которой возможно развитие ЭСР хотя бы один раз за время срока активного существования КА. Хотя подробная информация, полученная из расчетов безопасных полей во внешних покрытиях КА, и в этом случае представляется важной, на первое место в этом случае выходит определение максимальных величин напряженности электрического поля в полимерных материалах поверхности КА, возникающих в наиболее опасном случае, и сопоставление их со значением критического поля, вызывающего ЭСР.

Максимальные значения полей могут быть получены из анализа натекания в облучаемый полимер и стока объемных зарядов. При этом натекание зарядов определяется током инжекции зарядов из космической плазмы в материал поверхности КА, а сток зарядов определяется величиной РЭ.

Наиболее опасным случаем, при котором будет происходить интенсивное натекание зарядов, сопровождающееся резким ростом заряжения материала, естественно, является суббуря в магнитосфере Земли, обуславливающая значительное повышение плотности потока заряженных частиц, направленного на поверхность полимера.

Наихудшие условия стока зарядов будут иметь место при нахождении КА в ночном секторе орбиты, или для элементов ЭВТИ, находящихся в тени за счет их экранировки от Солнца другими конструкциями КА. В этом случае температура участков ЭВТИ может опускаться до ?120 С. При понижении температуры РЭ полимеров, связанная с вкладом термализованных носителей заряда, генерированных электронами суббури, существенно уменьшается и уже не может служить эффективным каналом стока объемных зарядов. Развитие ЭСР в этих условиях представляется неизбежным.

Резкое снижение РЭ, обусловленной термализованными носителями заряда, в соответствии с моделью РФВ, объясняется тем, что при достаточно низких температурах носители заряда, захваченные на ловушки еще на этапе термализации, уже не могут высвобождаться с них и поэтому не дают вклада в РЭ.

Существенный момент, на который обращается внимание, заключается в том, что РЭ спадает не до нуля, как это можно было бы ожидать, а до вполне определенного минимального, хотя и малого значения, названного в работе МРЭ. Ограничивающим фактором здесь выступает проводимость за счет горячих, еще не термализованных электронов, возникающих в конце каскада размножения вторичных электронов, рожденных первичным электроном при его взаимодействии с материалом ЭВТИ.

Времена нарастания и спада МРЭ чрезвычайно малы и соизмеримы с временами термализации электронов (порядка нескольких пикосекунд), поэтому МРЭ составляет лишь часть мгновенной составляющей РЭ. Рассматривая электропроводность электронного газа в твердом теле, Вутен получил следующие оценки: длина свободного пробега горячего электрона 1,5 нм, его подвижность (1?5) см2/В с, а время жизни 2х1015 с в проводящем состоянии. По оценке Вутена коэффициент Кр (формула 2.1) РЭ при импульсном облучении близок к (5?8)х10-16. Ом1м1Гр1с. Эксперименты по изучению РЭ при низких температурах подтверждают приведенные выше значения и дают при температурах ниже ?100С для всех исследованных полимеров примерно одинаковое значение минимального коэффициента РЭ

Kmin 51016 Ом1м1Гр1с.

Теперь можно сформулировать принцип МРЭ, заключающийся в том, что все полимерные материалы при температурах ?100С и ниже имеют коэффициент РЭ не менее 51016 Ом1м1Гр1с.

Ответ на вопрос, достаточна ли величина МРЭ в наихудшем случае для того, чтобы обеспечить сток зарядов с ЭВТИ и предотвратить развитие ЭСР, или нет, может быть получен при проведении расчетов электрических полей в ЭВТИ для наиболее опасного случая: мощная геомагнитная суббуря со средней мощностью дозы для спектра электронов на геостационарной орбите R = 5 Гр/с; низкая температура поверхности КА (120°С и ниже). В этом случае имеем величину плотности тока инжекции J0 электронов из космической плазмы в ЭВТИ порядка 5•107 А/м2. Тогда согласно выражению (2.1) получаем величину МРЭ:

Ом1м1.

Здесь следует отметить, что для МРЭ параметр Д из выражения (2.2) всегда равен единице.

Из условия квазиравновесия процессов натекания и стока объемных зарядов в облучаемом полимере получаем уровень максимальной напряженности электрического поля, возникающего в материале ЭВТИ в результате заряжения (у переднего напыленного металлического слоя):

В/м.

Как уже отмечалось ранее, уровень критического поля, при котором начинают возникать ЭСР в полимерных материалах поверхности КА, находящегося в околоземной космической плазме во время суббури равен 2·107 В/м. Мы видим, что полученное в работе максимальное значение 2·108 В/м электрического поля в ЭВТИ на порядок превышают уровень критического поля. Это позволяет сделать вывод о том, что даже специально отобранные полимерные материалы поверхности КА не могут обеспечить исключение ЭСР в натурных условиях наиболее опасного случая. В лучшем варианте эффективный полимерный материал способен лишь уменьшить частоту разрядов.

Таким образом, на первый план выходит задача моделирования процессов растекания тока по корпусу КА с целью последующего определения уровней ЭМП на входах БРЭА.

Третья глава посвящена изложению разработанной СЭМ растекания токов по корпусу КА при ЭСР, а также методу расчета ЭМП во фрагментах БКС, проложенной по внешней поверхности КА.

Как было показано в предыдущей главе, полное исключение возникновения ЭСР путем подбора материалов внешней поверхности КА в настоящее время невозможно. Удается снизить частоту и мощность ЭСР, но не исключить их полностью. Поэтому необходимо принимать дополнительные меры для безотказной работы электроники КА, при воздействии на нее ЭСР.

Основными рецепторами импульсных помех от ЭСР являются фрагменты БКС, проложенные по внешней поверхности КА. Для расчета величины помех в БКС разработана СЭМ растекания токов по корпусу КА, программное обеспечение (ПО) для ее реализации и алгоритм формирования на основе электрических схем, состоящих из фазовых параметрических макромоделей, значительно ускоряющий расчет. Принципы построения СЭМ КА базируются на представлении КА в виде эквивалентной электрической схемы из сосредоточенных R, L и С элементов (рис. 3.1).

Для адекватности модели, необходимо выполнить следующее условие: геометрическая длина самого большого элемента должна быть меньше, чем самая малая длина волны, используемая в анализе. Для типичной формы импульса ЭСР, это подразумевает, что расстояние L между двумя последовательными узлами было не более 0,3 м (L < л/8), для того, чтобы гарантировать соблюдение квазистатического допущения. Здесь л - наименьшая длина волны в спектре импульса ЭСР с длительностью переднего фронта 10 нс. При этом ЭСР моделируется импульсным источником тока с типичными характеристиками (импульсный ток 100 А, время нарастания тока 10 нс, спад тока 100 нс), соответствующими натурным условиям.

Рис 3.1. Преобразование геометрической модели поверхности КА в эквивалентную электрическую схему

Анализ СЭМ позволяет получить полную картину растекания токов по корпусу КА (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Картина растекания токов по поверхности КА. Черной линией показан фрагмент БКС

Расчет картины растекания токов по поверхности КА можно разделить на три этапа: преобразование 3D модели КА в СЭМ, расчет переходных токов и обработка полученных результатов.

Наиболее сложным и трудоемким является расчет переходных токов.

Рис. 3.3. Фрагмент СЭМ с узлами, преобразованными из координат вершин

Размерность СЭМ КА составляет сотни тысяч уравнений. Это приводит к таким затратам машинного времени, что расчет невозможно провести. Поэтому в диссертационной работе предложен алгоритм формирования СЭМ КА на основе электрических схем, состоящих из фазовых параметрических макромоделей. Такой подход на два-три порядка снижает трудоемкость вычислений и затраты машинного времени.

Для реализации такого алгоритма необходимо решение вспомогательной задачи формирования модели схемы, состоящей из фазовых параметрических макромоделей.

В работе показано, что СЭМ КА состоит из n слабо связанных между собой подсхем и может быть сформирована в виде:

.

Математическая модель каждой подсхемы, сформированная в расширенном однородном координатном базисе (РОКБ), представляет собой систему уравнений следующего вида

, ,

где - полиномиальная матрица первой степени, p оператор Лапласа, вектор варьируемых параметров подсхемы, вектор искомых фазовых переменных, вектор входных возмущающих воздействий.

Идея фазовых параметрических макромоделей состоит в том, что такая макромодель каждой подсхемы, входит в состав модели в редуцированном виде:

Это возможно при условии использования общего для всех подсхем базового узла. Кроме этого такая макромодель может быть предварительно построена независимо от других макромоделей, процесс их построения может быть параллельным при проектировании сложного объекта. При этом макромодели типовых элементов конструкций формируются только один раз и многократно используются в процессе проектирования КА.

В работе приведена сравнительная оценка трудоемкости методов анализа моделей. Ее результаты приведены на рис. 3.4 и показывают, что трудоемкость анализа модели, составленной из макромоделей, на 23 порядка ниже даже по сравнению с трудоемкостью анализа модели с блочно-диагональной матрицей с двойным окаймлением.

Рис. 3.4. Результаты сравнительной оценки трудоемкости методов анализа моделей

Таким образом, расчет картины растекания токов включает следующие основные этапы (рис. 3.5):

1. Построение трехмерной геометрической модели КА из базовых элементов.

Процесс моделирования начинается с выбора базовых геометрических примитивов, установки степеней дискретизации их поверхностей и задания их электрофизических свойств. Затем задается их ориентация в пространстве и производится стыковка элементов. Задачей этого этапа является представление всей конструкции КА в виде единой геометрической трехмерной сетки для ее дальнейшего преобразования в эквивалентную электрическую схему.

2. Построение СЭМ растекания токов по корпусу КА при ЭСР.

Узловым вопросом, связанным с выявлением поражающего воздействия ЭСР на БРЭА и БКС, является определение картины растекания токов и вероятного места ЭСР. Для определения наиболее вероятных мест возникновения ЭСР используются специальные расчеты, производимые в НИИЯФ МГУ.

Далее ЭСР представляется в виде сигнала импульсного источника тока с заранее заданными характеристиками, соответствующими параметрам реального разряда (разработанный в работе оригинальный испытательный генератор помех ИГП-2 «Дуга»). Данный источник подключался к точкам, между которыми возможно возникновение ЭСР. Затем с помощью модуля анализа электрических схем рассчитываются переходные токи по элементам поверхности.

Рис. 3.5. Схема этапов расчета переходных токов

3. Визуализация результатов расчетов картины растекания токов на пространственной модели КА и определение величины помех во фрагментах БКС. радиационный электропроводность теплоизоляция бортовой

Разработанная электрофизическая модель растекания токов по корпусу КА при ЭСР легла в основу предложенного метода расчета электромагнитных помех, возникающих на входах БРЭА (импульсные токи, протекающие по корпусу, интегрируются на экране фрагмента кабеля бортовой кабельной системы, наводят токи в жиле кабеля и развивают напряжение на входных сопротивлениях БРЭА). Перед расчетом ЭМП необходимо, используя инструменты, представленные в ПО модели, указать положение кабеля на поверхности модели КА.

Для реализации метода расчета ЭМП на входах БРЭА в работе было создано программное обеспечение, которое состоит из:

· программы расчета наводок во фрагментах бортовой кабельной сети космических летательных аппаратов;

· программы расчета величины помеховых сигналов во фрагментах бортовой кабельной сети космических летательных аппаратов.

Кроме этого использовались:

· трехмерный редактор Kinetix 3D MAX 3.0;

система расчета электрических схем PSpice.

При расчете используются коэффициенты трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности КА в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах БКС, получаемые экспериментальным путем с использованием предложенной нами методики, описанной в главе 5. Разработаны программные средства расчета уровней ЭМП, автоматически учитывающие скин-эффект и использующие созданную нами базу данных по коэффициентам трансформации для более 20 типов штатных кабелей БКС конкретных КА. Использование экспериментально определяемых коэффициентов трансформации тока позволило на порядок уменьшить погрешность расчетов уровней электромагнитных помех по сравнению с чисто аналитическими методами расчета, в которых необходимо учитывать ряд трудно определяемых факторов.

Изложенный подход позволяет на этапе проектирования КА сформулировать технические условия на стойкость к импульсным помехам электронных блоков, имеющих выход на внешнюю поверхность КА посредством БКС.

В четвертой главе рассмотрены теоретические и методические вопросы оценки стойкости БРЭА КА в условиях воздействия ЭСР; изложены системные аспекты их исследования; обоснованы методологические принципы анализа эффективности защиты, которые включают основные понятия и определения, конкретизацию целей и задач теории, состав и иерархию показателей стойкости, разработку структуры моделей, а также разработаны методы количественной оценки защиты БРЭА неоднородными электромагнитными экранами.

Дано формализованное описание разработанной унифицированной модели стойкости БРЭА КА в виде аналитических выражений, позволяющих в детерминированной и стохастической постановках оценивать закономерности изменения защищенности БРЭА КА в зависимости от условий воздействия ЭСР и используемых мер защиты.

Сформулирована обобщенная модель стойкости БРЭА КА, основной содержательный результат которой состоит в выявлении формализованной связи между целевой функцией БРЭА КА и уровнем ее стойкости, а также модель анализа стойкости важнейших целевых подсистем БРЭА КА, позволяющая установить частные по факторам и общие по их воздействию закономерности изменения показателей эффективности БРЭА КА в зависимости от стойкости при воздействии ЭСР.

Цели и задачи защиты аппаратуры вытекают из необходимости обеспечения целей и задач обеспечения стойкости, стоящих перед суперсистемой. Подобное представление обеспечения стойкости БРЭА КА позволяет оценивать эффективность средств защиты (качество функционирования) при помощи показателей эффективности двух групп: внешних и внутренних.

Внешние показатели отражают влияние функционирования защиты на эффективность системы более высокого уровня, являясь мерой вклада защиты в решение задач этой системой. Внутренние показатели позволяют оценивать эффективность защиты как самостоятельной системы, характеризуя степень выполнения задач, стоящих перед ней самой (отдельного способа защиты или их совокупности).

В соответствии с определением, внешний показатель представлен в виде приращения в абсолютной (4.1) или в относительной (4.2) форме показателя эффективности W БРЭА КА:

,

где - вектор активных средств данной системы, в т.ч. и защитных; - набор некоторых величин, характеризующих возможности действий системы (разбиение активных средств на функциональные группы, или номер того или иного способа использования активных средств); - вектор величин, описывающих поля ЭСР; - вектор величин, характеризующих источники ЭСР; индексы «З» и «0» соответствуют случаям применения средств и методов защиты или их отсутствия.

Показатели W и W есть меры полноты решения поставленных задач защищаемой системой при ее функционировании в условиях воздействия ЭСР, зависящие от свойств и характеристик защиты и показывающие вклад, вносимый системой защиты, в достижение целей суперсистемы. Эти показатели предлагается использовать и для сравнительной оценки уровней стойкости (вариантов защиты), а также для определения предельных требований по защищенности.

В работе показано, что математическая модель защищенности БРЭА КА может быть представлена функционалом, устанавливающим взаимосвязь между уровнем защищенности системы и ее элементов, а защищенность, в свою очередь, обуславливается различными по составу совокупностями мероприятий защиты. Структура и свойства системы характеризуются оператором Н, посредством которого каждой реализации воздействия х приводится в соответствие реализация поведения . Математическая природа элементов обоих пространств произвольна: это могут быть числа, векторы, функции одной или нескольких переменных. Оператор Н задается уравнениями физики, электро- и радиотехники, а также соответствующими начальными и граничными условиями.

Множество состояний КА, допустимых с точки зрения нормального функционирования, образуют область допустимых значений . Граница этой области соответствует предельным состояниям по стойкости (защищенности). Если , то выходная характеристика аппаратуры находится в установленных пределах и является допустимой для нормального функционирования. Это позволяет установить связь между значениями х пространства входных параметров ЭСР - Х и значениями пространства выходных параметров и их допустимыми значениями .

В качестве детерминированного показателя защищенности аппаратуры приняты максимальные значения воздействующих уровней ЭСР, при которых все определяющие параметры элементов с заданной (требуемой) вероятностью сохраняются в пределах нормы при определенном уровне гарантии, что выходной параметр не будет превышать допустимый уровень с требуемой вероятностью.

Детерминированный подход позволяет в явном виде оценить и уровень защищенности, необходимый для удовлетворения предъявляемых требований, через показатели защищенности по воздействующему параметру, расстоянию до источника ЭСР и времени его воздействия, соответственно. Для устранения влияния неопределенностей на результаты оценки используется вероятностный метод оценки результатов воздействия ЭСР.

Заключительным этапом вероятностного расчета является построение логических схем стойкости объектов, в которых реализуемые защитные мероприятия представляются в виде одного или нескольких защитных барьеров. Это топологическое описание развито при анализе системы экранирующих барьеров.

Поскольку компоненты БРЭА КА пространственно разнесены, оценка воздействия на них и их живучесть проведена независимо для каждого компонента, с последующим объединением следствий в общем показателе.

В главе представлен порядок определения амплитудно-временных параметров напряжений и токов на объекте воздействия.

Анализ различных схем разряда статического электричества, проведенный с точки зрения обеспечения стойкости БРЭА КА, показал, что наиболее опасной является ситуация, когда объект электризации и объект, на который происходит разряд, имеют общую точку и заземлены, что отвечает конструкции БРЭА. В работе предложена обобщенная модель заряда-разряда ЭСР, учитывающая изложенные в предыдущих разделах положения. В ней образование ЭСР имитируется источником высокого напряжения (ИВН) с внутренним сопротивлением Rз. Так как ток электризации составляет доли или единицы микроампер, значение Rз будет лежать в диапазоне 110 МОм. Ввиду большого значения Rз зарядный контур на решение задачи практически не влияет. Вследствие этого общая модель ЭСР примет вид, представленный на рис. 4.1.

Переходные процессы в этой цепи, описываются дифференциальными уравнениями второго порядка. При апериодическом разряде объекта электризации, т.е. когда R , оценка амплитудно-временных параметров разрядного ведется по следующим упрощенным формулам, вытекающим из указанных зависимостей:

Рис. 4.1. Эквивалентная схема разряда ЭСР

· длительность фронта импульса разрядного тока tф = 2,2L/R;

· амплитуда импульса разрядного тока Im = U0/R.

Для того, чтобы испытательная модель разряда охватывала все возможные на практике случаи и с вероятностью не менее 0,95 перекрывала их по спектрально-энергетическим характеристикам разряда, заданы следующие значения электрических параметров испытательной схемы U0 = 300 кВ, С0 = 10000 пФ, R0 = 1 кОм. Импульс разрядного тока на испытуемом объекте при этом будет описываться выражением: