CC BY
118
УДК 629.78:621.311
РАСЧЁТ ПОМЕХ В ЦЕПЯХ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, ВЫЗВАННЫХ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМИ РАЗРЯДАМИ
© 2012 А.В. Костин, М.Н. Пиганов
Самарский государственный аэрокосмический университет имени акад. С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)
Поступила в редакцию 02.12.2012
В статье приводится способ расчёта помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электростатическими разрядами. Приводится пример расчёта. Обсуждаются результаты.
Ключевые слова: электростатический разряд, поле, бортовая аппаратура, космический аппарат, излучатель, экран
Установлено, что во время полета на космических аппаратах (КА) накапливаются электрические заряды. Опыт эксплуатации отечественных и американских геостационарных спутников показал, что в работе бортовой аппаратуры наблюдаются аномалии и сбои [1]. Так, на искусственном спутнике Земли (ИСЗ) DSCS-2 имели место самопроизвольные срабатывания генераторов напряжения логических схем блоков управления. На ИСЗ «Интелсат-3» возникали сбои в системах управления антенной. На ИСЗ «Радуга» происходили нарушения в работе электроники датчика системы ориентации инфракрасного построителя местной вертикали. Известны и другие случаи нарушения нормальной работы бортовых систем ИСЗ, большая часть которых эксплуатировалась на геостационарных и высоких эллиптических орбитах. Электростатический заряд на изделиях РКТ возникает не только при движении КА на геостационарной орбите, но и в первые минуты старта, когда КА находится на начальном участке траектории, т.е. в плотных слоях атмосферы.
В результате изучения и анализа причин наблюдавшихся нарушений и сбоев в работе бортовой аппаратуры КА было установлено, что причиной этих нарушений является образование электростатических зарядов на поверхности КА и возникновение электростатических пробоев (разрядов) между элементами конструкции КА, что приводит к сбоям в работе аппаратуры. В дальнейшем были поставлены специальные исследования электризации на ИСЗ ATS-5 и ATS-6
Костин Алексей Владимирович, аспирант. E-mail: [email protected]
Пиганов Михаил Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и производства радиоэлектронных средств. Email: [email protected]
и было экспериментально показано, что на КА действительно возникают электростатические заряды с разностью потенциалов до 20 кВ. Из анализа имеющихся в литературе данных следует, что космические аппараты заряжаются статическим электричеством практически на всей траектории полета.
Для защиты бортовой аппаратуры (БА) КА применяется ряд мер. Но вопрос о необходимости и достаточности принятых мер по защите от электростатических разрядов (ЭСР) остаётся открытым на этапе проектирования БА, и подтвердить правильность выбранных конструктивных решений можно только при натурных испытаниях системы. Если на этом этапе будет получен отрицательный результат, то возникнет необходимость доработки БА. Такие доработки вызывают дополнительные затраты и могут даже задержать сдачу изделия. Другое дело, если меры, принятые для защиты от ЭСР, избыточные. Это ведёт к удорожанию приборов, увеличению их массы и габаритов.
В настоящей статье рассматривается способ оценки уровня помех, наводимых в цепях БА КА под действием ЭСР вблизи корпуса. Рассмотрим источник помех, то есть ЭСР. Сила тока разрядного импульса имеет вид [2]
ip(t) = I • (ept - ep2)
3,Ргt
(1)
где t - время; I, pl, p2 можно найти по известным значениям амплитуды импульса, длительности импульса по уровню 0,5 и длительностью фронта по уровням 0Д...0Д На рис. 1, как пример, представлена временная диаграмма импульса разрядной силы тока при минимальном значении длительности фронта импульса, минимальном значении переднего фронта и максимальной амплитуде 100 А.
Time
Рис. 1. Временная диаграмма импульса разрядной силы тока
ЭСР можно представить в виде элементарного электрического излучателя (диполя Герца). Поскольку размеры КА соизмеримы с длинами волны спектра излучаемого ЭСР [2], то можно сказать, что приёмник помех (то есть БА) будет расположена в ближней зоне диполя Герца. Запишем выражения для напряжённостей электрического Е и магнитного Н полей в ближней зоне диполя Герца [3]:
(2)
где ю - угловая частота, I (]о)) - спектральная плотность импульса разрядного тока, е0 - электрическая постоянная, I - длина вибратора, г, 9, ф - координаты сферической системы (см. рис. 2). Если подвергнуть выражение для составляющей магнитного поля обратному преобразованию Фурье, то можно увидеть, что форма импульса не поменялась, осталась такой же, что и в (1), а изменился лишь коэффициент перед выражением.
Теперь рассмотрим пример расчёта помехи. Пусть имеется токовый контур, расположенный на расстоянии Я от дуги ЭСР. Контур имеет размеры а и Ь (см. рис. 2). На практике токовыми контурами могут являться контуры, образованные источниками сигналов, нагрузкой, сигнальным и общим проводом. Именно эти цепи являются приёмниками помех. Поскольку в реальной
аппаратуре монтаж, как правило, лежит в плоскости, то предположим, что рассматриваемый контур тоже лежит в одной плоскости. В той же плоскости лежит дуга ЭСР. Ориентация, представленная на рис. 2, является самым худшим вариантом, т. к. составляющая магнитного поля нормальна плоскости контура. Найдём ЭДС помехи, наводимую в этом контуре при ЭСР.
Г
ь
Рис. 2. Диполь Герца в декартовой и сферической системе координат и ориентация токового контура
ЭДС, наводимая в токовом контуре, может быть определена по закону Фарадея [3]
где //о _ магнитная постоянная, В - магнитная индукция. Выражение (4) справедливо для воздуха и вакуума. Раскроем интеграл по поверхности 8 в декартовой системе координат [4]:
е(г) =
Мс
г а/2 К+Ъ
Ч 1
4п
-а/2 К
У
(у 2 + Г 2 )3 / 2
сУсЬ • I • (рхвр1 - р2еР2*)
7Р2t
Определим / по кривой Пашена [5], представленной на рис. 3. Напряжение ЭСР может достигать 20 кВ. По кривой Пашена определяем максимальный промежуток, при котором может произойти разряд при разности потенциалов 20 кВ. Найденное значение и будет являться /. В нормальных условиях атмосферное давление составляет от 630 до 800 мм рт. ст. При меньшем давлении значение / будет больше. При давлении 630 мм рт. ст. /=0,63 см.
Рис. 3. Кривая Пашена для воздуха
Форма импульса наведённой ЭДС представлена на рис. 4. Поскольку ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, а значит и тока, самый большой выброс получается во время фронта. Если провести расчёт для контура на расстоянии Я=50 мм с размерами
сторон а и Ь от 10 до 100 мм с шагом 10 мм при воздействии импульса длительностью 1 мкс по уровню 0,5, длительностью фронта 1 нс по уровню 0,1-0,9, то получим значения ЭДС, приведённые в таблицах 1 и 2. При этом длительность 11 будет равна 3,36 нс.
Рис. 4. Форма импульса ЭДС, наводимой в контуре
Таблица 1. Амплитуда А1 для импульса с длительностью 1 мкс по уровню 0,5 и длительностью переднего фронта 1 нс по уровню 0,1-0,9
а, см Ь, см^ч. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 4.601 9,088 13.363 17,349 20.997 24.286 27.217 29.805 32,078 34,064
2 7.891 15.61 23.006 29,958 36.384 42.244 47.527 52.251 56,449 60,164
Э 10.36 20.517 30.285 39.52 48.118 56.022 63.213 69.704 75,527 80,729
4 12.282 24.34 35.972 47,014 57.349 66.909 75.667 83.628 90,826 97,306
5 13.82 27.403 40.535 53,041 64.794 75.718 85.778 94.978 103,345 110,925
6 15.078 29.911 44.277 57,991 70.922 82.985 94.143 104.394 113,764 122,296
7 16.127 32,004 47.4 62,129 76.052 89.081 101.174 112.326 122,562 131,922
8 17.015 33,775 50.047 65,638 80.407 94.264 107.162 119.095 130,084 140,169
9 17.776 35,294 52.317 68,651 84.151 98.724 112.321 124.935 136,585 147,309
10 18.436 36,611 54.287 71,266 87.403 102.601 116.812 130.025 142,257 153,548
Таблица 2. Амплитуда А2 для импульса с длительностью 1 мкс по уровню 0,5 и длительностью переднего фронта 1 нс по уровню 0,1-0,9
\a, см to. си\ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 -1,364'ID"3 -2,695'ID"3 -3,962'10-3 -5,144-10-3 -6,226'10-3 -7,201'10-3 -8.07'10-3 -8,837'10-3 -9.51Г10-3 -0,01
2 -2.34'10-3 -4.628'10-3 -6.821'10-3 -8.882'10-3 -0.011 -0.013 -0.014 -0.015 -0.017 -0.018
3 -3.072'10-3 -6.083'10-3 -8.98'10-3 -0.012 -0.014 -0.017 -0.019 -0.021 -0.022 -0.024
4 -3.642'10-3 -7.217'10-3 -0.011 -0.014 -0.017 -0.02 -0.022 -0.025 -0.027 -0.029
5 -4,098'10-3 -8,125 '10-3 -0,012 -0,016 -0.019 -0,022 -0,025 -0,028 -0,031 -0,033
6 -4,471'10-3 -8,869'10-3 -0,013 -0,017 -0.021 -0,025 -0,028 -0,031 -0,034 -0,036
7 -4,782'10-3 -9,489 '10-3 -0,014 -0,018 -0.023 -0,026 -0,03 -0,033 -0,036 -0,039
8 -5,045'IG"3 -0,01 -0,015 -0,019 -0.024 -0,028 -0,032 -0,035 -0,039 -0,042
9 -5,271'10-3 -0,01 -0,016 -0,02 -0.025 -0,029 -0,033 -0,037 -0,04 -0,044
10 -5,466'10-3 -0,011 -0,016 -0,021 -0.026 -0,03 -0,035 -0,039 -0,042 -0,046
Как видно из табл. 1 и 2 амплитуды импульсов могут достигать существенной величины. При увеличении длительности фронта значение А1 уменьшается, а ^ увеличивается. Это связано с уменьшением скорости и увеличением времени нарастания импульса тока ЭСР. Однако, корпуса БА КА, которые, как правило, изготавливаются из электропроводящего материала и ослабляют электромагнитное поле.
Как показывают расчёты [6] эффективность экранирования в некоторых диапазонах может достигать свыше 40 дБ. На амплитуду и форму импульсов ЭДС могут влиять не только корпуса БА. Поэтому, при определении помех от ЭСР предложенным в настоящей статье способом необходимо помнить, что контуры имеют собственное комплексное сопротивление (активное и реактивное). Реальную форму импульса необходимо определять с учётом этого комплексного сопротивления. Для определения комплексного сопротивления необходимо рассматривать конкретные случаи, конструкцию конкретной БА. Влияние комплексного сопротивления может привести к кардинальным изме-
нениям не только амплитуд но и формы импульса вплоть до превращения его в колебательный
процесс.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1 Manoranjan, R. J. Aeronaut. Soc.India. 1976. 28, №4. P. 431-434.
2 Соколов, А.Б. Обеспечение стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов / А.Б. Соколов. Диссертации на соискание уч. степ. докт. техн. наук. - М.: МИЭМ, 2009. 51 с.
3 Макаров, Г. Т. Электродинамика и распространение радиоволн / Г. Т. Макаров, Б.М. Петров, Г.П. Гру-динская. - М.: Сов. радио, 1969. 376 с.
4 Бронштейн, И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И.Н. Бронштейн, КА. Семендяев. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. 544 с.
5 Техника высоких напряжений: Курс лекций для бакалавров направления 140200 «Электроэнергетика» - Томск: ТПУ, 2005. 128 с.
6 Полонский, Н.Б. Конструирование электромагнитных экранов для радиоэлектронной аппаратуры / Н.Б. Полонский. - М.: Сов. радио, 1979. 216 с.
CALCULATION OF NOISE IN CHAINS OF SPACECRAFTS ONBOARD EQUIPMENT CAUSED BY ELECTROSTATIC
DISCHARGES
© 2012 A.V. Kostin, M.N. Piganov
Samara State Aerospace University named after acad. S.P. Korolyov (National Research University)
In article the way of calculation the noise in chains of spacecrafts onboard equipment caused by electrostatic discharges is given. The calculation example is given. Results are discussed.
Key words: electrostatic discharge, field, onboard equipment, spacecraft, emitter, screen
Aleksey Kostin, Post-graduate Student. E-mail: [email protected] Mikhail Piganov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Construction and Manufacture of Radioelectronic Devices Department E-mail: [email protected]
