Assessment of the resistance of technical means of space systems and complexes to the effects of electrostatic discharges

Full Text

Введение

Постановка проблемы. С начала освоения космического пространства и до настоящего времени стоит задача по выполнению оценки стойкости бортовой аппаратуры (БА) космических аппаратов (КА) к воздействию электростатических разрядов (ЭСР). На момент написания статьи авторами продолжаются исследования по анализу влияния ЭСР на БА КА [1–27]. В работах [6–8] представлены основные направления по исследованию причин возникновения, влияния и защиты БА КА от воздействия электромагнитного поля Земли (ЭМП) и авроральной радиации (АР). Можно ожидать, что по мере развития ракетно-космической техники (РКТ) и технологии, освоения новых рабочих орбит и создания КА новых типов значимость проблемы защиты от электростатического воздействия будет возрастать. Это связано с разработкой и внедрением перспективных конструкций КА, в которых могут возникать высокие электрические напряжения, вызывающие нарушение функционирования БА, в частности навигационных систем [4]. Это вызывает необходимость дальнейшего развития принципов и методов электростатической защиты БА КА.

Актуальность исследования заключается в необходимости дальнейшего совершенствования методов защиты БА КА от воздействия ЭСР на основе всестороннего изучения проблемы возникновения ЭСР.

Объект исследования – БА и бортовая кабельная сеть (БКС) КА.

Предметом исследования является анализ функционирования БА и БКС КА при воздействии ЭСР.

Научная новизна выполненных исследований заключается в разработке алгоритма оценки стойкости КА к воздействию ЭСР с учетом результатов испытаний.

Цель: уточнение методологии оценки стойкости БА КА к воздействию разрядов ЭСР, на основе обобщения расчетно-аналитических работ.

Результаты. Разработан алгоритм оценки стойкости БА КА к воздействию ЭСР.

Практическая значимость. Практическая значимость проведенных исследований состоит в возможности оценки, на основании расчетных и экспериментальных данных, стойкости БА КА к воздействию ЭСР.

Ход исследования

В соответствии с действующими нормативными документами для конкретных условий эксплуатации необходимо производить оценку этих параметров. Для каждого вида БА КА необходимо устанавливать требования к стойкости, в соответствии с условиями эксплуатации БА, а именно величины параметров ЭСР, вид электростатического разряда и т. д.

Таким образом, для подтверждения стойкости БА КА к воздействию ЭСР следует определить вид воздействующего разряда и его параметры (в соответствии с предполагаемыми условиями эксплуатации), с учетом особенностей конструкции КА.

С целью подтверждения стойкости КА к воздействию ЭСР с учетом конкретных условий эксплуатации и особенностей конструкции изделий необходимо провести:

– анализ результатов расчетов процессов поверхностной и внутренней электризации КА;

– анализ результатов расчетов уровней помех в БКС наведенных ЭСР;

– верификацию численных методов расчетов на основе физического моделирования.

Анализ стойкости БА КА необходимо проводить с учетом основных механизмов воздействия ЭСР на БКС:

– электромагнитное излучение, сопровождающее любой разряд;

– воздействие электромагнитного поля тока разряда, протекающего по элементам конструкции КА (кондуктивные помехи);

– воздействие электрического поля из-за разрядов, возникающих между диэлектрическими и проводящими элементами конструкции КА, а также между диэлектрическими элементами конструкции КА и БКС;

– непосредственное воздействие ЭСР на БКС.

С учетом необходимости проведения оценки стойкости БА БКС к ЭСР вне реальных условий эксплуатации оценка стойкости БА БКС проводится на основе математического и физического моделирования.

Математическое моделирование выполняется на этапе определения наведенных потенциалов в результате воздействия ЭСР в элементах конструкций и расчета параметров (по току, напряжению и времени действия) в БКС.

Физическое моделирование выполняется на этапе проверки БА при проверке отдельных электронных блоков и БКС при моделировании ЭСР на стенде с применением генератора электростатического разряда (ГЭР), и последующих контрольных испытаний всего КА или его отдельных укрупненных элементов.

Таким образом, на первом этапе выполняется математическое моделирование воздействия ЭСР на основе применения численных методов [4; 5]. При выполнении расчетов, на основании существующих методов баллистики, учитываются возможные участки орбиты КА с высоким уровнем электризации, к таким, как правило, относятся:

– зона бразильской аномалии;

– на любом участке орбиты во время вспышек на Солнце;

– на любом участке орбиты во время электромагнитных бурь.

Наиболее опасное воздействие на КА оказывает авроральная радиация (АР) [3]. Среди потоков частиц в магнитосфере Земли АР занимает промежуточное положение между потоками плазмы и захваченной радиацией. При поверхностной электризации наибольшую опасность представляет воздействие на изделие потока авроральных электронов (АВРЭ) с энергиями от 5 до 20 кэВ. Вероятность такого воздействия на изделие может достигать от 10 до 15 % в зависимости от уровня геомагнитной активности и конкретного значения наклонения орбиты КА.

Внутренняя электризация КА при реальных толщинах используемой защиты обусловлена преимущественно электронами естественного радиационного пояса Земли (ЕРПЗ) с энергией E > 2 МэВ, воздействующими на КА в высокоширотных областях и в районе Южно-Атлантической магнитной аномалии. Расчет достаточности защиты БА КА от электризации и расчет потенциалов и напряженности поля проводятся при параметрах воздействия характерных для низкотемпературной космической плазмы на основе методов электростатики.

С учетом вышеописанных особенностей проводится расчет распределения потенциалов на поверхности КА, и определяются наиболее вероятные места возникновения ЭСР.

На рис. 1 показан участок фрагмента модели конструкции КА с нанесенной на его поверхность расчетной сеткой и показанные цветовым кодом расчетными значениями потенциалов на различных элементах поверхности. Учитывая особенности геометрических форм КА и применяемых базисных функций, результаты расчетов потенциалов на поверхностях КА носят случайный характер.

Оценка достоверности расчетов проводится на основе сравнения двух численных методов определения потенциалов на поверхностях конструкции КА с помощью базисных функций: в форме интерполяционного полинома Лагранжа и метода наименьших квадратов.

 

Рис. 1. Изображение фрагмента модели конструкции КА

Fig. 1. Image of a fragment of the spacecraft structure model

 

Сравнение двух методов расчета потенциалов выполняется на основе рондомизированного критерия F-распределения Фишера. На основании результатов сравнения делается вывод о принятии гипотезы о достоверности результатов численного моделирования.

Расчеты параметров помех, создаваемых ЭСР, отдельными линиями БКС проводятся на основе расчетно-аналитического моделирования. Процесс проведения моделирования показан на рис. 2.

Для подтверждения полученных расчетных значений уровней помех, возникающих от ЭСР, проводится экспериментальное подтверждение. Измерения проводятся с помощью генератора электростатических разрядов (ГЭР). Графические зависимости (напряжения и тока от времени) помехового сигнала в линии БКС, представлены на рис. 3 и 4. Результат воздействия ЭСР, созданного ГЭР, на линии БКС приведен на рис. 5.

На основании полученных данных проводится сравнение результатов физического и численного моделирования, которое необходимо для проверки достоверности результатов численного моделирования [11].

Проведение испытания БА КА является заключительным этапом получения данных для оценки стойкости БА КА к ЭСР. Испытание технически сложного объекта требует всесторонней подготовки, планирования [2; 10; 12; 13] и разработки программ и методик испытаний.

 

Рис. 2. Процесс проведения расчетно-аналитического моделирования помех от ЭСР

Fig. 2. Process of carrying out computational and analytical modeling of interference from ESD

 

Рис. 3. График зависимости напряжения помехи от времени

Fig. 3. Graph of the dependence of the interference voltage on time

 

Методологический подход к процессу анализа стойкости КА к воздействию ЭСР с учетом результатов испытаний реализован на основе имитационного моделирования [9].

 

Рис. 4. График зависимости напряжения помехи от времени

Fig. 4. Graph of the dependence of the interference voltage on time

 

Рис. 5. Результат воздействия ЭСР, созданного ГЭР, на линии БКС

Fig. 5. Result of the impact of the ESD created by the ERT on the BCS line

 

На рис. 6 представлена имитационная модель, которая имитирует последовательность действий и принятие решений при различных вариантах результатов выполнения отдельных структурных элементов модели, с учетом результатов аналитических и численных решений, а также результатов испытаний.

 

Рис. 6. Имитационная модель процесса проведения оценки стойкости БА КА

Fig. 6. Simulation model of the process of assessing the stability of the spacecraft BA

 

На рис. 7 представлен алгоритм оценки стойкости БА КА к воздействию электростатических разрядов с учетом результатов испытаний, который позволяет на основе расчетно-экспериментального метода оценить стойкость БА КА при воздействии ЭМП, создаваемого ЕРПЗ и электронами АВРЭ.

 

Рис. 7. Алгоритм оценки стойкости БА КА

Fig. 7. Algorithm for assessing the robustness of the spacecraft BA

 

Алгоритм предусматривает принятые конструктивно-компоновочные решения, условия эксплуатация изделия, учитывая воздействия ЕРПЗ.

На первом этапе расчетно-аналитическим методом оценивается стойкость БА КА. На втором этапе проводятся испытания кабельных линий БКС. На третьем этапе работ проводятся комплексные испытания БА КА. Если по техническим причинам на этапе комплексных испытаний невозможно провести испытания БА КА на стойкость к ЭСР, то испытываются отдельные элементы изделия в разобранном состоянии.

В случае получения отрицательных результатов испытаний, необходимо принять решение о доработке изделия РКТ. После доработки изделия РКТ испытания повторяются вновь. После получения положительных результатов испытаний БА КА на устойчивость к ЭСР изделие РКТ допускается к летным испытаниям.

Заключение

В работе представлены исследования по выполнению последовательности мероприятий по оценки стойкости БА КА к ЭСР на основе математического и физического моделирования. Приведенная последовательность мероприятий позволяет на основе конструктивно-компоновочный схемы КА и параметров ЭМП, создаваемого ЕРПЗ и электронами АВРЭ, выполнить оценку стойкости КА.

About the authors

Andrei N. Dementiev

FSUE «NPO Technomac»

Email: dementev_2001@mail.ru

Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Deputy General Director for Scientific and Technological Support of Work on the Creation of RKT Products of FSUE «NPO Technomac»

Russian Federation, Moscow

Mikhail V. Aralkin

Khrunichev State Research and Production Space Center

Email: aralkin.mv@khrunichev.ru

Deputy General Designer – Head of the Electro-Radio Systems Department, Khrunichev State Research and Production Space Center

Russian Federation, Moscow

Yevgeny E. Krivobokov

Khrunichev State Research and Production Space Center

Author for correspondence.
Email: krv-evgeny@yandex.ru

Lead Engineer of Khrunichev State Research and Production Space Center

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files