Email this article On-board equipment testing procedure for the effects of electrostatic discharges
- Authors: Demidov A.A.1, Piganov M.N.1
-
Affiliations:
- Samara National Research University
- Issue: Vol 27, No 2 (2024)
- Pages: 69-76
- Section: Articles
- URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/27702
- DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2024.27.2.69-76
- ID: 27702
Cite item
Full Text
Abstract
Background. The relevance of the topic of this work is due to the need to improve the reliability and quality of the assessment of the stability of the onboard electronic equipment of spacecraft to electrostatic discharges.
Aim. Investigation of the possibilities of using the electron flux in vacuum as a test effect on the spacecraft’s on-board radioelectronic equipment in assessing its resistance to electrostatic discharges.
Methods. Field experiment, research laboratory tests, modeling, mock-up, expert assessments. The article considers the conditions for the existence of an electronic stream in the «electronic spotlight» and «scanning» modes. A mock-up of an electronic device, which was previously used for testing in the atmosphere of air, was used as a test object. It has been structurally modified taking into account the dimensions, wiring diagram, tooling and electrophysical characteristics of the vacuum chamber. The modified layout is a first-level module with antennas located inside the housing. During the experiment, a vacuum meter, a kilovoltmeter, a digital oscilloscope with a bandwidth of 500 MHz, a high-voltage cable, a two-wire line, a hermetic plate, and an electron gun were used. The required vacuum was created using an automated pumping system.
Results. The conditions for the existence of an electron flow in a vacuum chamber with a pressure of up to 10–7 mm Hg have been experimentally established. The results of research tests of the radioelectronic module in the «electronic searchlight» and «scanning» modes have been obtained. The main types of interference from the action of electrostatic discharges are investigated. The analysis of the waveforms was carried out. Based on these results, a methodology has been developed for testing the onboard equipment of spacecraft for the effects of electrostatic discharges. The proposed method provides testing at a level of operating discharge current up to 30 µA with particle energy from 5 to 50 keV.
Conclusion. The test procedure and the means of its implementation comply with the basic requirements of GOST «Resistance to electrostatic discharges» and can be used for ground tests of spacecraft onboard equipment at four degrees of rigidity.
Full Text
Введение
В процессе эксплуатации космических аппаратов (КА) под влиянием солнечной радиации и заряженных частиц происходит электризация их поверхностей. При этом индуцируются электростатические заряды и могут возникать электростатические разряды (ЭСР). Это вызывает появление электромагнитных помех, которые могут негативно повлиять на работоспособность бортовой аппаратуры (БА), бортовых кабельных сетей и электронных компонентов. Влиянию этих факторов сильно подвержены КА с длительным сроком активного функционирования. В связи с этим для таких КА и БА на этапах экспериментальной отработки предусмотрены различные виды контроля и испытаний, в том числе на воздействие электростатических разрядов [1–4].
Ранее А.В. Костиным были проведены исследования по влиянию ЭСР на функционирование БРЭА и бортовых кабельных сетей, а также предложены методика испытания с помощью ГЭР и меры защиты от полей (ЭМП), создаваемых разрядами.
Однако такие испытания не учитывают влияния многих факторов космического пространства, в частности глубокого вакуума. Это снижает достоверность результатов испытания и не позволяет определить реальные параметры электризации космического аппарата КА и бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА). В данной статье предлагается другой вариант испытаний – путем воздействия электронного потока в режимах «электронный прожектор» и «электронное сканирование».
Цель данной работы – исследование возможностей использования электронного потока в ваку уме в качестве испытательного воздействия на бортовую радиоэлектронную аппаратуру при оценке ее стойкости к ЭСР.
1. Описание объекта испытаний
В качестве объекта испытаний (ОИ) был использован макет радиоэлектронного устройства, который ранее исследовался на воздействие электростатического разряда с помощью ГЭР в атмосфере воздуха. За основу был взят макет, описанный в [5]. Он был конструктивно доработан с учетом размеров, схемы подключения, оснастки и электрофизических характеристик вакуумной камеры. Доработанный макет представляет собой модуль первого уровня с расположенными внутри корпуса антеннами № 1 и № 2 (рис. 1). На рис. 2 приведена фотография макета.
Рис. 1. Макет прибора с указанием расположения антенн № 1 и № 2
Fig. 1. Layout of the device indicating the location of antennas No. 1 and No. 2
Рис. 2. Фотография макета
Fig. 2. Photo of the layout
Антенны подключаются к высокочастотному соединителю со значением волнового сопротивления 50 Ом через коммутатор каждая по отдельности. Коммутатор выполнен на основе электромагнитных реле. Через высокочастотный соединитель к антеннам подключен цифровой осциллограф с помощью специального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом. Длина кабеля составляла 1 м.
2. Методика эксперимента
В режиме «электронный прожектор» ОИ устанавливался в стойку на поворотном столе [6]. В вакуумной камере создается пониженное давление величиной до (5–8)·10–7 мм рт. ст. После этого устанавливается ускоряющее напряжение от 5 до 20 кВ и ток пучка электронов величиной порядка 30 мкА. Производится облучение заданных поверхностей исследуемого образца. На рис. 3 стрелками показаны облучаемые поверхности. Время воздействия электронного потока при каждом значении ускоряющего напряжения составляло не менее 10 мин. Напряжение измеряли киловольт метром. Для измерения поверхностных и наведенных помех использовался цифровой осциллограф с полосой пропускания 500 МГц.
Рис. 3. Облучаемая плоскость образца во время проведения испытаний
Fig. 3. The irradiated plane of the sample during testing
3. Результаты эксперимента
В таблицах 1–4 приведены основные параметры электронного потока (ЭП) в режиме «электронный прожектор» и характеристики помех от ЭСР, а в таблице 5 – параметры помех в двухпроводной линии ОИ.
Таблица 1. Параметры ЭП в режиме «электронный прожектор». Антенна № 1. Эксперимент № 1
Table 1. Parameters of the EP in the «electronic spotlight» mode. Antenna No. 1. Experiment No. 1
№ п/п | Ускоряющее напряжение ИПЭ, кВ | Факт возникновения ЭСР | Характеристики помехи от ЭСР на осциллографе | Амплитуда напряжения на киловольтметре, кВ | Время саморазряда ОИ при максимальной зарядке, с | |||
Uн., В | Uв., В | tф. имп., мс | fЭСР, Гц | |||||
1 | 5 | Нет | – | – | – | – | 0–5 | 1 |
2 | 6 | Нет | – | – | – | – | 0–6 | 1 |
3 | 7 | Нет | – | – | – | – | 0–7 | 1 |
4 | 8 | Есть | 160 | 607,6 | 18 | 0,005 | 0–6 | 1 |
5 | 9 | Есть | 82 | 538 | 25 | 0,02 | 3–8 | 2 |
6 | 10 | Есть | 420 | 18 | 10 | 0,1 | 0–10 | 2 |
7 | 11 | Есть | 2 | 26 | 12 | 0,27 | 0–8 | 1 |
8 | 12 | Есть | 2 | 62 | 10 | 0,47 | 0–5 | 1 |
9 | 13 | Нет | – | – | – | – | 0–7 | 1 |
10 | 14 | Нет | – | – | – | – | 0–6 | 1 |
11 | 15 | Нет | – | – | – | – | 0–6 | 1 |
12 | 16 | Нет | – | – | – | – | 0–5 | 1 |
13 | 17 | Нет | – | – | – | – | 0–7 | 1 |
14 | 18 | Нет | – | – | – | – | 0–10 | 2 |
15 | 19 | Нет | – | – | – | – | 0–8 | 1 |
16 | 20 | Нет | – | – | – | – | 0–7 | 1 |
Таблица 2. Параметры ЭП в режиме «электронный прожектор». Антенна № 2. Эксперимент № 1
Table 2. EP parameters in the «electronic spotlight» mode. Antenna No. 2. Experiment No. 1
№ п/п | Ускоряющее напряжение ИПЭ, кВ | Факт возникновения ЭСР | Характеристики помехи от ЭСР на осциллографе | Амплитуда напряжения на киловольтметре, кВ | Время саморазряда ОИ при максимальной зарядке, с | |||
Uн., В | Uв., В | tф. имп., мс | fЭСР, Гц | |||||
1 | 5 | Нет | – | – | – | – | 0–5 | 1 |
2 | 6 | Нет | – | – | – | – | 0–6 | 1 |
3 | 7 | Нет | – | – | – | – | 0–7 | 1 |
4 | 8 | Нет | – | – | – | – | 0–4 | 1 |
5 | 9 | Нет | – | – | – | – | 0–5 | 1 |
6 | 10 | Нет | – | – | – | – | 0–10 | 2 |
7 | 11 | Нет | – | – | – | – | 0–6 | 1 |
8 | 12 | Есть | 0,6 | 0,6 | 500 | 0,003 | 0–5 | 1 |
9 | 13 | Нет | – | – | – | – | 0–7 | 1 |
10 | 14 | Нет | – | – | – | – | 0–5 | 1 |
11 | 15 | Нет | – | – | – | – | 0–6 | 1 |
12 | 16 | Нет | – | – | – | – | 0–6 | 1 |
13 | 17 | Нет | – | – | – | – | 0–6 | 1 |
14 | 18 | Нет | – | – | – | – | 0–12 | 1 |
15 | 19 | Нет | – | – | – | – | 0–10 | 2 |
16 | 20 | Есть | 3,6 | 16,4 | 100 | 0,003 | 0–8 | 1 |
Таблица 3. Параметры ЭП в режиме «электронный прожектор». Антенна № 1. Эксперимент № 2
Table 3. EP parameters in the «electronic spotlight» mode. Antenna No. 1. Experiment No. 2
№ п/п | Ускоряющее напряжение ИПЭ, кВ | Факт возникновения ЭСР | Характеристики помехи от ЭСР на осциллографе | |||
Uн., В | Uв., В | tф. имп., мс | fЭСР, Гц | |||
1 | 5 | Нет | – | – | – | – |
2 | 6 | Нет | – | – | – | – |
3 | 7 | Нет | – | – | – | – |
4 | 8 | Есть | 346 | 122 | 100 | 0,005 |
5 | 9 | Есть | 82 | 538 | 50 | 0,02 |
6 | 10 | Есть | 10 | 130 | 7 | 0,1 |
7 | 11 | Есть | 82 | 538 | 30 | 0,27 |
8 | 12 | Есть | 154 | 230 | 40 | 0,47 |
9 | 13 | Нет | – | – | – | – |
10 | 14 | Нет | – | – | – | – |
11 | 15 | Нет | – | – | – | – |
12 | 16 | Нет | – | – | – | – |
13 | 17 | Нет | – | – | – | – |
14 | 18 | Нет | – | – | – | – |
15 | 19 | Нет | – | – | – | – |
16 | 20 | Нет | – | – | – | – |
Таблица 4. Параметры ЭП в режиме «электронный прожектор». Антенна № 2. Эксперимент № 2
Table 4. EP parameters in the «electronic spotlight» mode. Antenna No. 2. Experiment No. 2
№ п/п | Ускоряющее напряжение ИПЭ, кВ | Факт возникновения ЭСР | Характеристики помехи от ЭСР на осциллографе | |||
Uн., В | Uв., В | tф. имп., мс | fЭСР, Гц | |||
1 | 5 | Нет | – | – | – | – |
2 | 6 | Нет | – | – | – | – |
3 | 7 | Нет | – | – | – | – |
4 | 8 | Нет | – | – | – | – |
5 | 9 | Нет | – | – | – | – |
6 | 10 | Нет | – | – | – | – |
7 | 11 | Нет | – | – | – | – |
8 | 12 | Есть | 2,3 | 26,9 | 100 | 0,003 |
9 | 13 | Нет | – | – | – | – |
10 | 14 | Нет | – | – | – | – |
11 | 15 | Нет | – | – | – | – |
12 | 16 | Нет | – | – | – | – |
13 | 17 | Нет | – | – | – | – |
14 | 18 | Нет | – | – | – | – |
15 | 19 | Нет | – | – | – | – |
16 | 20 | Есть | 1,6 | 1,6 | 100 | 0,003 |
Таблица 5. Параметры помех в двухпроводной линии
Table 5. Interference parameters in a two-wire line
Напряжение на контактном наконечнике, кВ | Амплитуда напряжения, В | Фронт, нс | Длительность, мкс |
5 | –28 +30 | 2,5 | 1 |
10 | –58 +60 | 2,5 | 5 |
15 | –80 +84 | 2,5 | 6 |
20 | –104 +114 | 2,5 | 6 |
4. Исследование и анализ помех
Была использована схема формирования помех, приведенная на рис. 4 [5]. Расчет помех проводился по методике [7].
Рис. 4. Схема (физическая модель) формирования помех в цепях бортовой аппаратуры КА
Fig. 4. Scheme (physical model) of interference generation in circuits of on-board spacecraft equipment
Осциллограмма импульса помехи от ИЭП приведена на рис. 5. На рис. 6 показан вид помехи от ГЭР.
Как видно из рис. 5 и 6, вид помехи от ИЭП похож на помеху от ГЭР. Параметры этих помех также близки. Это позволяет для анализа помех от ИЭП и их расчета использовать в первом приближении математические выражения, которые ранее использовались для описания помех от ГЭР.
Рис. 5. Осциллограмма импульса помехи
Fig. 5. Oscillogram of the interference pulse
Рис. 6. Вид помехи от ГЭР
Fig. 6. Type of interference from GER
Заключение
Таким образом, предложенная методика испытательного воздействия на бортовую радиоэлектронную аппаратуру на базе вакуумной камеры обладает следующими свойствами:
- обеспечивает 4 степени жесткости испытаний;
- имеет удобное рабочее место для проведения испытаний;
- дает возможность формирования испытательного воздействия в двух режимах: «электронного прожектора» и «сканирования»;
- формирует испытательное напряжение в диапазоне от 5 до 20 кВ; время воздействия на каждом ускоряющем напряжении составляет не менее 10 мин;
- формирует разрядный ток величиной до 30 мкА; энергия частиц электронов изменяется от 5 до 50 кэВ;
- создает рабочее давление в вакуумной камере до 10–7 мм рт. ст.;
- методы и средства измерения параметров имитатора соответствуют общепринятым требованиям;
- обеспечивает поворот ОИ на угол от 0 до 270°;
- не оказывает электромагнитного воздействия на оператора и окружающее оборудование.
Методика и средства ее реализации соответствуют основным требованиям ГОСТ Р 51317.42-99 «Устойчивость к электростатическим разрядам» и может быть использована при наземных испытаниях бортовой аппаратуры КА [8].
About the authors
Alexey A. Demidov
Samara National Research University
Email: mlscompany@mail.ru
postgraduate student of the Department of Radioelectronic Systems
Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086Mikhail N. Piganov
Samara National Research University
Author for correspondence.
Email: kipres@ssau.ru
professor of the Department of Radioelectronic Systems
Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086References
- A. V. Nasedkin, S. V. Tyulevin, and M. N. Piganov, “Method of production testing of electronic parts,” Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering, vol. 11, no. 7 (84), pp. 76–84, 2012, doi: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20419629. (In Russ.)
- A. V. Kulikov, “Methods of control and measurements of components of the onboard radio engineering complex,” Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 26, no. 3, pp. 32–39, 2023, doi: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2023.26.3.32-39. (In Russ.)
- A. P. Bykov, “Algorithm for conducting autonomous tests of radio electronic means,” Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 23, no. 3, pp. 97–104, 2020, doi: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2020.23.3.97-104. (In Russ.)
- A. V. Kostin, “Analysis of the thermal effect of two external parallel printed circuit board conductors set on a metal base and operating in a space vacuum on each other,” Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 26, no. 4, pp. 38–47, 2023, doi: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2023.26.4.38-47. (In Russ.)
- A. V. Kostin and M. N. Piganov, “Methodology for measuring interference in the circuits of on-board equipment of spacecraft caused by the electromagnetic field of an electrostatic discharge,” Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk, vol. 17, no. 2 (4), pp. 804–810, 2015, url: https://cyberleninka.ru/article/n/metodika-izmereniya-pomeh-v-tsepyah-bortovoy-apparatury-komicheskih-apparatov-vyzvannyh-elektromagnitnym-polem-elektrostaticheskogo?ysclid=lwi348j2ys403509534. (In Russ.)
- A. A. Demidov, E. V. Kudashov, and M. N. Piganov, “Stand for testing on-board equipment for the effects of charged particles,” Aktual’nye problemy radioelektroniki i telekommunikatsiy: mater. Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii, pp. 95–96, 2022, url: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48549439. (In Russ.)
- A. V. Kostin and M. N. Piganov, “Calculation of interference in the circuits of on-board equipment of spacecraft caused by electrostatic discharge,” Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk, vol. 14, no. 4 (5), pp. 1376–1379, 2012, url: http://www.ssc.smr.ru/media/journals/izvestia/2012/2012_4_1376_1379.pdf. (In Russ.)
- GOST R 51317.42-99. Resistance to electrostatic discharges. IPK Izdatel’stvo standartov, 2000. 33 p. (In Russ.)
Supplementary files
