CC BY
94
неисправного состояния при двух и более проявившихся ственное неисправное состояние. Это же может быть признаках, не имеет смысла, так как он однозначно дает подтверждено простым логическим рассуждением или определенный результат, указывающий на одно един- явно проявиться при функционировании объекта.
V. V. Lukasov, А. V. Katsura
RECOGNITION OF MALFUNCTION OF SYSTEMS AND UNITS OF AIR COURTS WITH BEIES PROBABILITY METHOD APPLICATION
The algorithm of definition of malfunctions offlying devices with application ofprobability method of recognition is resulted.
ХЦК 629.78.067
В. В. Иванов, И. А. Максимов, А. Б. Надирадзе, В. В. Шапошников
МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА РАБОТУ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рассмотрены возможные механизмы воздействия низкотемпературной плазмы, формируемой при работе электроракетных двигателей, на бортовую аппаратуру космических аппаратов. Показано, что имеется, по крайней мере, три таких механизма: образование токов утечки, объемный разряд и поверхностный дуговой пробой. Отмечается, что только в первом и втором случаях параметры плазмы могут оказывать влияние на величину разрядных токов. В третьем случае плазма играет роль инициатора разряда и не оказывает заметного влияния на его характеристики. В объемном и поверхностном пробоях амплитуда тока может изменяться от десятков миллиампер до единиц ампер, что представляет реальную угрозу для бортовой аппаратуры.
Переход на негерметичное исполнение отсека полезной нагрузки (ОПН) и широкое использование электроракетных двигателей (ЭРД), в частности стационарных плазменных двигателей (СПД), на современных космических аппаратах (КА) привело к появлению дополнительных каналов взаимодействия между бортовой электронной аппаратурой (БА) и двигательной установкой. Одним из таких каналов является плазма, формируемая при работе ЭРД. Наличие плазмы в области высоковольтного оборудования (ВВО), например ламп бегущей волны (ЛБВ) или блоков питания (БП) бортового радиотрансляционного комплекса (БРТК), может стать причиной электрических разрядов или значительных токов утечки, способных привести к нарушению нормального функционирования аппаратуры и КА в целом.
Для исключения подобных эффектов и подтверждения стойкости БА к воздействию плазмы в настоящее время проводят испытания аппаратуры в условиях наиболее приближенных или более жестких, чем натурные. Такой подход гарантирует надежное функционирование БА в составе КА, однако не позволяет выяснить механизмы воздействия плазмы и выбрать наиболее эффективные методы защиты. В связи с этим целью данной статьи является определение возможных механизмов воздействия, а также построение критериев стойкости БА к воздействию плазмы ЭРД.
Условия функционирования БА на борту КА. С точки зрения возможности возникновения электрических разрядов наибольший интерес представляют величины давления газа и параметры плазмы внутри ОПН. Для боль-
шинства современных КА негерметичного исполнения устанавливается верхний предел давления внутри отсека полезной нагрузки, равный р = 10-4.. ,10-5 торр. Включение бортовой аппаратуры производится только после того, как давление в ОПН станет меньше указанного значения. Для обеспечения требуемой скорости обезгажи-вания в стенках корпуса ОПН устанавливаются вентиляционные отверстия (ВО), через которые газ, выделяемый приборами и материалами, выходит наружу.
По данным источников [1; 2], установившееся значение давления во внутренних полостях КА не превышает 10-8... 10-9 торр, и может кратковременно увеличиваться до 10-6... 10-7 торр при включениях газовых двигателей и при повышенном тепловыделении электронной аппаратуры.
Параметры плазмы, проникающей в ОПН, определяются конструкцией и площадью ВО, взаимным расположением и типом используемых ЭРД. По оценкам [3], при использовании двигателей типа СПД-100, СПД-70 концентрация плазмы внутри ОПН составляет 104 106 см-3 при
средней энергии ионов 10-30 эВ (соответствует потенциалу плазмы в периферийных зонах струи). Проникание высокоэнергетических ионов струи в ОПН маловероятно.
Анализ возможных механизмов воздействия. В настоящее время известно несколько физических явлений, которые потенциально могут приводить к сбоям в работе БА. Это образование паразитных токов утечки за счет проводимости плазмы, различные виды тлеющих дуговых разрядов [4], а также поверхностный электрический пробой [5; 6] и поверхностный дуговой пробой [7; 8]. Рассмотрим каждый из них и оценим опасность для функционирования БА.
Образование токов утечки. Поскольку плазма является проводящей средой, то через любой электрод, находящийся не под потенциалом плазмы, будет протекать ток, величина которого зависит от параметров плазмы, потенциала на электроде, состояния поверхности электрода и внешнего давления. Типичная зондовая характеристика представлена на рис. 1.
}- = /о ехр
еф
кТ
где
./о
кТ
2рт
(3)
(4)
/+ іо
1+
еф
кТ
(5)
Для зондов другой формы вид функции (5) может измениться вследствие отличия зависимости площади собирающей поверхности от потенциала зонда.
Согласно формулам (3)-(5), при указанных выше значениях концентрации и температуры плазмы, ионная компонента тока при напряжении 100 В - 1 кВ может дости-
гать 1-100 мкА/см2, а электронная - 0,1-10 мА/см2. В некоторых случаях эти токи могут оказывать заметное влияние на работу БА, поэтому их следует учитывать при проектировании и оценке воздействия ЭРД на БА.
Объемный газовый разряд. Условия возникновения газового разряда в настоящее время достаточно хорошо изучены [4]. Электрический пробой вакуумного промежутка происходит в результате образования токового канала электронами вторичной эмиссии и ионизированными частицами газа. Условия зажигания газового разряда определяются законом Пашена.
Характерные кривые зависимости напряжения зажигания разряда ¥1 от произведенияpd, где d - расстояние между электродами, приведены на рис. 2. В этом проявляется закон подобия.
Рис. 1. Типичная вольт-амперная характеристика зонда
При указанных выше условиях плазма является без-столкновительной, поэтому влиянием давления можно пренебречь.
Классическая теория электрического зонда в плазме [9] дает следующую зависимость тока на зонд.
Полный ток J, текущий на зонд, равен разности электронного Je и ионного J¡ токов:
J = Je - J¡, (1)
или
J = S(/ - /), (2)
где 5 - площадь поверхности зонда; ]е, / - плотность электронного и ионного тока.
В области отрицательных потенциалов зонда ток, текущий на зонд, определяется выражением
ґ Л
При постепенном уменьшении отрицательного потенциала зонда, т. е. удалении по оси абсцисс вправо из области А, происходит экспоненциальное увеличение электронного тока (участок В на рис. 1). На этом участке полный ток, текущий на зонд, обусловлен как электронами, так и ионами. При переходе в область положительных потенциалов (участок С зондовой характеристики) ионы перестают попадать на зонд. Здесь ток, текущий на ток, обусловлен только электронами. В случае цилиндрического зонда электронный ток в областях В, С равен:
Рис. 2. Потенциал зажигания разряда в различных газах (кривые Пашена)
Значение У1 в минимуме соответствует точке Столетова, где ионизационная способность электрона максимальна. Промежуток пробивается при этом легче всего, потому что оптимальны условия для размножения.
В области больших pd (на правой ветви кривой Пашена) пороговая величина У1 возрастает почти пропорционально pd. Такое поведение напряжения пробоя объясняется тем, что в случае повышенных давлений или длинных промежутков электрон имеет возможность совершить много ионизирующих столкновений на длине пробега.
При малыхpd (левая ветвь кривой Пашена) возможностей для столкновений мало. Для достижения должного умножения требуется очень сильное поле, поэтому с уменьшением pd напряжение пробоя быстро растет. В силу ограниченности эффективного сечения ионизации, ионизационный коэффициент также ограничен. Поэтому при малых pd ни при какой напряженности поля не может быть обеспечено нужное усиление и, следовательно, зажигание разряда.
Условия зажигания самостоятельного разряда указывают на то, что появление плазмы ЭРД не должно приводить к заметному снижению потенциала зажигания самостоятельного разряда. В худшем случае будет происходить некоторое увеличение темнового тока насыщения. Небольшое снижение потенциала зажигания может происходить по причине изменения величины прикатод-ного падения потенциала за счет увеличения концентрации носителей зарядов. Но в обоих случаях вероятность
возникновения объемного разряда при давлении ниже 10-5.10-4 торр, реализуемых в ОПН, относительно невелика. Поэтому данный эффект вряд ли может служить объяснением сбоев в работе БА.
Объемный тепловой пробой. Как отмечалось выше, при давлении ниже 10-5.10-4 торр самостоятельный газовый разряд невозможен. Однако при увеличении положительного потенциала электрода до 0,5-1 кВ и достаточно больших токах утечки давление газа может увеличиться за счет нагрева электродов и частичного испарения поверхностных пленок загрязнения и примыкающих к электроду диэлектриков. Возможность таких эффектов, по-видимому, определяется особенностями конструкции БА и применяемыми в ней материалами. Если принять тепловую модель разряда, то напряжение зажигания П1 равно
Ш
и, ~ ^, (6)
1+
где - теплота испарения поверхностной пленки или прилегающих материалов.
Максимальная плотность тока в разряде определяется площадью электродов, используемыми материалами и внутренним сопротивлением источника тока. Значительного влияния давления на характеристики разряда не ожидается, поскольку участие остаточного газа в этом процессе незначительно.
Большие токи разряда и возможность разрушения материалов представляет реальную угрозу для БА, поэтому данный эффект необходимо учитывать при проектировании.
Поверхностный электрический пробой. В отличие от тлеющего разряда поверхностный пробой может возникать при сколь угодно низких давлениях газа. Материалом для создания проводящей среды в этом случае являются атомы и молекулы газа, адсорбированные на поверхности диэлектрика. Когда напряжение между электродами превышает напряжение пробоя, адсорбированный слой разрушается под действием электронов разряда. В приповерхностном слое возникает достаточно плотное облако газа, которое ионизируется и участвует в развитии пробоя. Поскольку масса запасенных частиц невелика (обычно 2-3 монослоя), поверхностный пробой всегда имеет импульсный характер. Повторный пробой может произойти только после того, как на поверхности будет накоплена достаточно большая масса частиц.
Исследованию этого явления была посвящена большая серия работ [5; 6]. В них показано, что основная характеристика пробоя зависит от материала, формы и размера изолятора, качества контакта металл-диэлектрик, наличия магнитного поля, длительности импульса приложенного напряжения.
По данным [6], поверхностный разряд возникает при напряжении между электродами от 20-30 кВ и выше. Разряд имеет импульсный характер. Длительность импульса составляет 1-10 мкс. Амплитуда тока в импульсе имеет порядок 1 А. Разрушения электродов при разряде обычно не происходит.
Присутствие плазмы в разрядном промежутке, по-видимому, может увеличить интенсивность десорбцион-ных процессов за счет накопления на поверхности электрического заряда и протекания тока между электродами.
В связи с этим можно ожидать некоторого снижения напряжения пробоя.
Оценить опасность данного типа пробоя для работы БА в настоящее время не представляется возможным. Однако, учитывая характер пробоя и особенности конструкции БА, возникновение поверхностных электрических пробоев представляется маловероятным.
Поверхностный дуговой пробой. Эффекты дугового плазменного разряда были обнаружены при испытаниях и эксплуатации высоковольтных солнечных батарей на низких околоземных орбитах. Было установлено, что в панелях, смещаемых отрицательно относительно потенциала плазмы, при пороговых напряжениях, зависящих от плотности плазмы, происходит дугообразование. Исследования [9] показали, что дуговые характеристики зависят от напряжения, при котором возникает дуга, и от емкости между панелью батареи и окружающими элементами конструкции.
В работе [8] построена теория, объясняющая экспериментально наблюдаемые свойства электрического пробоя солнечных панелей в плазме. Эта теория основана на предположении о том, что любая контактирующая с плазмой металлическая поверхность покрыта тонким слоем изолирующих загрязнений. Ионы окружающей плазмы притягиваются панелью, находящейся под отрицательным потенциалом, и нейтрализуются на поверхности этого слоя, приводя к росту в нем напряженности электрического поля. В ходе этого процесса внутреннее поле становится достаточно большим, чтобы вызвать эмиссию на границе металла с изолирующим слоем. Такая эмиссия в свою очередь вызывает ионизацию и нагрев электронов внутри слоя. Горячие электроны могут испускаться в вакуум, в результате чего замыкается петля положительной обратной связи, приводящая к образованию дугового пробоя. На основании этих предположений в источнике [8] разработано математическое описание процессов, которое позволяет предсказать пороговое напряжение дугообразования, существование такого порога и вытекающая из разработанной теории его слабая зависимость от плотности плазмы, что согласуется с имеющимися экспериментальными данными.
В работах [8; 9] указываются следующие закономерности этого явления:
- потенциально возможно возникновение высоковольтных дуговых разрядов при наличии плазмы с концентрацией от 101-104 1/см3;
- образование дуги наблюдается при напряжениях 100-700 В, при этом ток через разрядный промежуток экспоненциально возрастает;
- плазма не является основным проводящим элементом, по которому развивается дуга, а только инициирует разрядный процесс;
- значительной зависимости дуговых характеристик от концентрации плазмы не обнаружено - увеличение концентрации может приводить к некоторому увеличению частоты дуги, но эти данные не являются окончательными;
- ток дуги определяется эмиссией испаренного материала, поэтому он может достигать довольно больших значений;
- сильного влияния давления окружающей среды на процессы дугообразования не обнаружено;
- большое значение на образование дуги может оказывать масштабный фактор.
Таким образом, имеется, по крайней мере, три возможных механизма воздействия низкотемпературной плазмы на работу ВВО: образование токов утечки; объемный тепловой пробой; поверхностный дуговой пробой.
В настоящее время не представляется возможным дать четкие рекомендации разработчикам бортовой аппаратуры по исключению возможности этих эффектов. Также весьма проблематично получить надежные оценки критических параметров плазмы, поскольку это требует учета особенностей конструкции приборов.
Построение критериев стойкости БА к воздействию плазмы. Как отмечалось в работе [10], в настоящее время в качестве критерия стойкости БА к воздействию плазмы принято следующее условие:
ПБА — ппРЕД , (7)
где иПРЕд - предельная концентрация плазмы, при которой гарантируется безотказная работа аппаратуры, а пБА - концентрация плазмы в области установки БА, реализуемая в условиях натурной эксплуатации КА.
Концентрация плазмы пБА оценивается расчетно-экспериментальными методами путем последовательного учета ослабления плазменных потоков при движении частиц от источника плазмы до места установки аппаратуры. Методика этой процедуры была подробно рассмотрена в работе [3] и в настоящее время достаточно хорошо отработана.
Наиболее сложным является определение иПРЕд. Есть два способа оценки этой величины: проведение испытаний БА; оценка по критичным элементам БА.
В первом случае величина иПРЕд определяется путем постепенного увеличения концентрации плазмы с нуля до максимально возможных значений пМАКС, которые могут быть реализованы в натурных условиях эксплуатации (пМАКС ~ 5 • 108 см-3 [3; 10]). Если при некоторой концентрации плазмы п* будут обнаружены сбои в работе аппаратуры, принимается условие пПРЕд = п1. Если же сбоев в работе аппаратуры не обнаруживается ни при каких значениях концентрации, принимается условие п > п
ПРЕД “МАКС-
Однако при использовании такого подхода необходимо провести испытания всей аппаратуры, функционирующей на КА, что является слишком сложным и неэффективным. Поэтому более привлекателен второй способ анализа, позволяющий произвести предварительный отбор аппаратуры по наличию в ней критичных элементов.
Но и здесь возникают проблемы. Учитывая индивидуальность конструктивного исполнения приборов, сложность процессов формирования пробоев и большое влияние на эти процессы малых факторов вряд ли можно получить достоверную оценку величины иПРЕд для отдельного элемента БА.
В связи с этим наиболее эффективным и доступным для практического применения (с учетом ограниченных временных и материальных ресурсов) представляется подход, основанный на ранжировании БА по степени
опасности воздействия на нее плазмы ЭРД. При этом методика анализа может быть построена следующим образом:
1) на основании существующих теоретических представлений и результатов экспериментов формируется множество модельных схем, позволяющих получить оценку критических параметров пробоя или величину токов утечки;
2) проводится анализ технической документации на БА, выявляются элементы, соответствующие выбранным модельным схемам, оценивается критичность аппаратуры к воздействию плазмы;
3) проводятся испытания аппаратуры, содержащие наибольшее число критичных элементов. Для остальной аппаратуры, не прошедшей такие испытания, могут быть проведены экспертные оценки стойкости к воздействию плазмы.
При использовании такой схемы критерии отбора элементов БА должны строятся по методу исключения, т. е. они должны гарантированно выявлять элементы не критичные к воздействию плазмы. Элементы, не соответствующие такому критерию, потенциально опасны, хотя не обязательно подвержены воздействию плазмы. Стойкость таких устройств должна подтверждаться экспериментально.
Проведенный анализ показывает, что низкотемпературная плазма, формируемая при работе электроракет-ных двигателей, представляет собой реальную угрозу для бортовой аппаратуры космических аппаратов.
Токи утечки возникают в результате проводимости плазмы. При положительном потенциале электродов плотность тока утечки может достигать 1-5 мА/см2 (концентрация плазмы - 106 см-3, средняя энергия ионов -20 эВ, потенциал электрода 1кВ), а при отрицательном -1-10 мкА/см2.
Объемный тепловой пробой возникает при положительном потенциале анода. При возникновении разряда происходит разрушение материала анода и примыкающих к нему изоляционных материалов. Напряжение пробоя зависит от размеров и формы электродов, свойств примыкающих материалов и концентрации плазмы.
Поверхностный дуговой пробой возникает при отрицательном потенциале изолированного электрода. Эмиссия электронов появляется в результате накопления заряда на поверхности диэлектрика и возникновения в нем большой напряженности поля. По имеющимся данным для возникновения дуги достаточно очень небольшой концентрации плазмы (101-104 1/см3). При этом напряжение зажигания дуги составляет 100-700 В. Влияние давления и величины концентрации плазмы на характеристики дуги незначительно. Поскольку в образовании дуги участвует материал изолятора, разрядные токи могут достигать очень больших значений (до нескольких ампер).
В настоящее время не представляется возможным дать четкие рекомендации разработчикам бортовой аппаратуры по исключению возможности этих эффектов. Также весьма проблематично получить оценки критических параметров плазмы, поскольку это требует учета особенностей конструкции приборов.
Поэтому для подтверждения стойкости БА к воздействию плазмы на данном этапе исследований предлагается проводить ранжирование и выборочные испытания БА по степени критичности к воздействию плазмы. Кри-
терии отбора элементов БА должны строиться по методу исключения, т. е. они должны гарантированно выявлять элементы не критичные к воздействию плазмы.
Библиографический список
1. Крылов, А. Н. Динамика изменения давления в негерметичных отсеках спутников на геостационарных орбитах / А. Н. Крылов [и др.] // Авиакосмическое приборостроение. № 3, 2006. С. 55-58.
2. Надирадзе, А. Б. Оценка времени обезгаживания негерметичного приборного отсека космического аппарата / А. Б. Надирадзе [и др.] // Вестник Сиб. гос. аэрокос-мич. ун-та : сб. науч. тр. / под ред. проф. Г. П. Белякова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2007. Вып. 1. С. 95-98.
3. Иванов, В. В. Расчетная модель для оценки проникания плазмы ЭРД в приборные отсеки КА / В. В. Иванов [и др.] // Вестник Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та : сб. науч. тр. / под ред. проф. Г. П. Белякова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2006. Вып. 3 (10). С 49-52.
4. Грановский, В. Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток / В. Л. Грановский. М. : Наука. 1971.
5. Авдиенко, А. А. Поверхностный пробой твердых диэлектриков в вакууме. Механизм поверхностного пробоя / А. А. Авдиенко, М. Д. Малеев // ЖТФ. Т. 47. Вып. 8. 1977. С. 1703-1711.
6. Авдиенко, А. А. Поверхностный пробой твердых диэлектриков в вакууме. Количественная модель пробоя / А. А. Авдиенко, М. Д. Малеев // ЖТФ. Т. 47. Вып. 8. 1977. С. 987-998.
7. Паркс, Д. Э. Механизмы, определяющие порог пробоя высоковольтных солнечных панелей /Д. Э. Паркс [и др.] // Аэрокосмическая техника. 1988. № 5. Май.
С. 96-102.
8. Snyder, D. B. The effect of plasma on solar cell array characteristics / D. B. Snyder, E. Tyree // AIAA. Paper 85-0384, 1985.
9. Козлов, О. В. Электрический зонд в плазме / О. В. Козлов. М. : Атомиздат, 1969.
10. Иванов, В. В. Методология обеспечения стойкости космического аппарата в условиях плазмы, формируемой стационарными плазменными двигателями / В. В. Иванов [и др.] // Вестник Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та : сб. науч. тр. / под ред. проф. Г. П. Белякова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2006. Вып. 1. С. 76-80.
V. V. Ivanov, I. A. Maksimov, A. B. Nadiradze, V. V. Shaposhnikov
MECHANISMS OF THE ELECTRO-JET THRUSTER IMPACTS ON THE OPERATION OF THE SPACECRAFT ON BOARD EQUIPMENT
It is considered the possible mechanisms of the impacts of the low-temperature plasma generated by electro-jet thrusters on the spacecraft on board equipment. It is shown that there are at least three mechanisms of such nature including the generation of the leak currents, the volumetric discharge and the surface arcing. It is noted that with the first and the second mechanisms only, the plasma parameters can effect the values of the discharge currents. With the third mechanism, the plasma acts as a discharge initiator and does not significantly effect the discharge characteristics. For the volumetric breakdown and surface arcing, the current amplitude can vary from tens of mAmps to units of Amps thus actually jeopardizing the operation of the on board equipment.
УДК 621.311.6
Ю. В. Краснобаев, И. Н. Пожаркова
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМЫХ ЗНАЧЕНИЙ ВЫХОДНОГО ИМПЕДАНСА АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Описана методика определения допустимых значений выходного импеданса автономной системы электропитания на ранних этапах проектирования в условиях ограниченной информации о каналах электропотребления. Проведено исследование зависимостей входного импеданса канала электропотребления с вторичным источником питания от его параметров с использованием моделей каналов в формате PSpice. Предложен способ ослабления требований к выходному импедансу системы электропитания.
Автономные системы электроснабжения (АСЭС) с точник энергии (ИЭ), накопитель энергии (НЭ) и энергоимпульсными стабилизаторами существуют в составе преобразующая аппаратура (ЭПА), обеспечивающая
различных автономных объектов (АО), например в кос- передачу энергии от ИЭ и НЭ на выход СЭП, восстанов-
мических аппаратах, автоматических станциях монито- ление энергии НЭ и требуемое качество напряжения на
ринга окружающей среды, системах телеуправления. выходе СЭП. В качестве ИЭ находят применение солнеч-
АСЭС состоят из подсистем электропитания (СЭП) и элек- ные батареи, термоэлектрические преобразователи, ма-
тропотребления. В состав современных СЭП входит ис- ломощные ветро- и гидроэнергоустановки с вентильны-
