Методика испытаний бортовой аппаратуры на воздействие электростатических разрядов

Полный текст

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].

Об авторах

Алексей Алексеевич Демидов

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: mlscompany@mail.ru

аспирант кафедры радиоэлектронных систем 

Россия, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34

Михаил Николаевич Пиганов

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Автор, ответственный за переписку.
Email: kipres@ssau.ru

профессор кафедры радиоэлектронных систем

Россия, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34

Список литературы

Дополнительные файлы