Методы экспериментальной оценки эффективности экранирования материалов, применяемых при производстве космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 620.1

МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКРАНИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

А. В. Первухин, Г. А. Павлова*

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

*E-mail gpavlova@iss-reshetnev.ru

Рассматриваются методы определения эффективности экранирования материалов, обосновывается выбор метода на базе стандарта IEEE-STD-299.

Ключевые слова: эффективность экранирования, измерение, экранирующие материалы.

METHODS FOR EXPERIMENTAL EVALUATION SHIELDING EFFECTIVENESS

OF CONSTRUCTION MATERIALS USED IN PRODUCTION OF SATELITES

A. V. Pervukhin, G. A. Pavlova*

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

*E-mail gpavlova@iss-reshetnev.ru

The paper considers methods for electromagnetic shielding effectiveness of materials. The research proposes a method based on IEEE-STD-299.

Keywords: shielding effectiveness, measurement, shielding materials.

Для обеспечения электромагнитной совместимости по полям КА, а также для обеспечения стойкости оборудования КА к воздействию электростатического разряда необходимо обеспечение непрерывного электрического контура в конструкции КА, что достигается экранированием приборного отсека КА. Одним из основных способов экранирования является заклейка щелей и отверстий в корпусе КА электрогерметизи-рующими лентами и пленками [1]. Однако отсутствие данных об эффективности экранирования электро-герметизирующих материалов, а также материалов конструкции КА может привести как к недостаточному экранированию приборного отсека КА, что, в свою очередь, скажется на помехоустойчивости бортовой аппаратуры, так и к чрезмерному экранированию, что отразится на массогабаритных характеристиках КА в целом. Для решения этой проблемы требуется проведение работ по экспериментальному определению эффективности экранирования таких материалов как: алюминиевая сотопанель, углепластиковая сотопа-нель, экранно-вакуумная теплоизоляция, пленка ПЭТ (полиэтилентерефталат) и др.

Кроме того, одно из перспективных направлений при создании рабочих мест электрорадиоиспытаний -это применение при создании рабочих мест электро-радиоиспытаний КА современных радиоэкранирующих материалов, для которых также требуется экспериментальное определение эффективности экранирования

(сеточные материалы, экранирующие ткани, токопро-водящие краски, металлизирующие покрытия и др.).

Измерение фактической эффективности экранирования предназначено для численного определения ослабления, вызванного взаимодействием электромагнитной волны (ЭМВ) от источника излучений, с образцом материала.

Эффективность экранирования SE (shielding effectiveness) экранов определяется как отношение напряженности поля (E0 или H0) области пространства при отсутствии экрана (образца материала) к напряженности поля при его наличии (E или H) [2]:

- для электрических полей

SEaA = 20log ; (1)

- для магнитных полей

SEsa = 20log [ H); (2)

- для плотности мощности электромагнитного поля

SEsa = 20log . (3)

Для определения эффективности экранирования материалов применяют различные методы.

Методы испытаний, использующие коаксиальные TEM-камеры (transverse electromagnetic sell) основаны

Контроль и испытания ракетно-космической техники

на математическом эквиваленте между эффективностью экранирования бесконечного плоского экрана в свободном пространстве в дальней зоне и затуханием ЭМВ в образце материала, помещенного в линию передачи ТЕМ-камеры.

ТЕМ-камера М. Крауфорда представляет собой отрезок квадратной коаксиальной линии большого сечения с волновым сопротивлением 50 Ом с внутренним проводником. С обоих концов камеры имеются пирамидальные сужения и переходы на стандартные коаксиальные разъемы. В камере создается замкнутая область экранированного пространства, где генерируется поперечная электромагнитная волна, точна такая, которая наблюдается в свободном пространстве.

Использование ТЕМ-камер положено в основу стандартов Л8ТМ Е87-83, Л8ТМ Б 4935-99. Метод определения эффективности экранирования, описанный в стандарте Л8ТМ Е87-83, основан на использовании ТЕМ-камеры круглого сечения, также с круглым сечением внутреннего проводника (рис. 1). Эффективность экранирования в соответствии с выражениями (1)-(3) определяется отношением между уровнем сигнала, измеренным без образца (базовое измерение) и уровнем сигнала с образцом, помещенным в камеру.

Верхняя частота сигнала зависит от геометрических параметров ТЕМ-камеры и ограничивается выражением (4):

Ушах

I ( + Л)

(4)

ТЕМ-камера стандарта Л8ТМ Е87-83 сконструирована для распространения ЭМВ в частотном диапазоне от 1 МГц до 1,8 ГГц. Усовершенствованный метод на базе ТЕМ-камеры с разъединённым внутренним проводником и фланцем на внешнем проводнике камеры согласно стандарту Л8ТМ Б 4935-99 предоставляет расширенный частотный диапазон -до 18 ГГц.

Разработаны и применяются также иные вариации методологии измерения эффективности экранирования материалов на базе ТЕМ-камер (например, с двойной ТЕМ-камерой) [3]. Однако методы определения эффективности экранирования на основе ТЕМ-камер не подходят для определения эффективности экранирования конструкционных материалов КА по следующим причинам:

- ограниченный частотный диапазон;

- чувствительность различных методов с ТЕМ-камерой к поверхностной проводимости материалов. Для материалов с различной проводимостью (алюминий, углепластик), придется использовать разные методы;

- необходимость использования жестких образцов для испытаний, что может наложить ограничения на возможность испытаний мягких материалов, таких как ЭВТИ, материал ПЭТ, лента ЛЭФС и т. п.;

- ограничения по толщине образцов для испытаний - толщина сотопанелей варьируется от 20 до 50 мм.

Следовательно, необходимо использование более универсального метода, исключающего недостатки, присущие ТЕМ-камерам.

К таким методам относятся методы на базе стандарта М1Ь-8ТО-285 (1956 г.), в которых используют безэховые камеры (БЭК). Согласно М1Ь-8ТБ-285 проводят облучение образца материала, установленного в окно экранированного помещения, каким является БЭК. Также проводится базовое измерение сигнала от передающей антенны, проходящего через окно экранированного помещения при отсутствии образца. Эти измерения охватывают диапазон частот от 100 кГц до 10 ГГц.

В дальнейшем стандарт М1Ь-8ТБ-285 был заменен на 1ЕЕЕ-8ТО-299, согласно которому измерения эффективности экранирования возможны в диапазоне частот от 50 Гц до 100 ГГц. Данный частотный диапазон разбит на три поддиапазона: для измерения магнитного поля (от 50 Гц до 20 МГц), электрического поля (от 20 до 300 МГц) и плоской ЭМВ (от 300 МГц до 100 ГГц). Адаптированная для измерений эффективности экранирования материалов, схема эксперимента на базе 1ЕЕЕ-8ТБ-299 приведена на рис. 2.

Передающая антенна и экранированный объем с приемной антенной помещены внутри БЭК. Генератор сигналов и анализатор спектра расположены вне БЭК и соединены с приемной и передающей антенной коаксиальным кабелем. Проводятся также как и в выше описанных методах измерение с образцом и базовое измерение без образца, а затем расчеты по выражениям (1)-(3).

Для достоверности результатов измерения необходимо выполнять для нескольких точек пространства, с помощью как открытой, так и рамочной измерительных антенн, чтобы иметь возможность определить эффективность экранирования как к электрической, так и магнитной составляющей поля.

с

Рис. 1. Метод определения эффективности экранирования материала по стандарту ЛБТМ ЕБ7-83

[WVVWWWWWWWWWWWWW\AAAAAAAA?

БЭК

Образец материала

А

■ Рупорная антенна

Экранированая кабина

1>

^7^лллллллл^лллллллллллллллл^лллллллллллл

Источник сигнала

Рис. 2. Схема эксперимента измерения эффективности экранирования на базе стандарта 1ЕЕЕ-8ТБ-299

Данный метод, учитывая его возможности по частотному диапазону, а также оснащение АО «ИСС» (с незначительной доработкой оснастки) представляется наиболее целесообразным для экспериментального определения эффективности экранирования как конструкционных материалов КА, так и иных экранирующих материалов и покрытий.

Библиографические ссылки

1. Синтез методов оценки электромагнитной обстановки на борту космического аппарата и обеспечение защиты бортовой аппаратуры от электромагнитного излучения : монография / А. В. Первухин [и др.] ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. 136 с.

2. Шапиро Д. Н. Основы теории электромагнитного экранирования. Л. : Энергия, 1975. 112 с.

3. Gistian Morari, Ionit Balan, Methods for determining shielding effectiveness of materials.

References

1. Sintez metodov otsenki elektromagnitnoi obstanovki na bortu kosmicheskogo apparata i obespechenie zash-chity bortovoi apparatury ot elektromagnitnogo izlu-cheniya : monografiya / A. V. Pervukhin [et al.] [Synthesis of methods for assessing the electromagnetic environment on board spacecraft and ensuring the protection of on-board equipment from electromagnetic radiation. Monograph]. Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2016. 136 р.

2. Shapiro D. N. Osnovy teorii elektromagnitnogo ekranirovaniya [Fundamentals of the theory of electromagnetic shielding]. L. : Energiia, 1975. 112 p.

3. Qistian Morari, Ionit Balan, Methods for determining shielding effectiveness of materials.

© Первухин А. В., Павлова Г. А., 2017