Метод определения коэффициента трансформации тока в бортовой кабельной сети космических аппаратов

• Автор: Агапов, Василий Васильевич
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 152 с. : ил.

Содержание
Введение
1. Электромагнитные помехи в бортовой кабельной сети космического аппарата,
вызываемые электростатическими разрядами
• 1.1. Пути проникновения электромагнитных наводок в кабельные системы ;
1.2. Классификация рецепторов помех
1.3. Методы расчета наводок в БКС
1.4. Воздействие разрядов кабельные экраны
1.5. Экспериментальное определение наводок в кабельных системах
1.6. Постановка задачи
2. Модель воздействияэлектростатических разрядов на бортовую кабельную сеть космических аппаратов
2.1. Дифференциальная зарядка поверхности космических аппаратов
2.2. Бортовые кабельные системы на поверхности космических аппаратов
2.3. Электромагнитная наводка от ЭСР во фрагментах БКС, проложенных по внешней поверхности КА
2.4. Магнитная связь между поверхностью КА и экраном кабеля '
2.5. Магнитная связь между экраном кабеля и заключенным в него проводником
2.6. Паразитные сигналы в бортовой кабельной сети КА от ЭСР
2.7. Передаточное полное сопротивление кабеля с плетенымэкраном
2.8. Аналитический расчет двумерной картины растекания токов по поверхности плоской проводящей пластины от ЭСР
2.9. Экспериментальная проверка результатов расчета растекания токов по поверхности плоской проводящей пластины от ЭСР
2.10. Выводы
3. Метод определения коэффициента трансформации тока в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети космического аппарата
3.1. Испытательный стенд для определения коэффициента трансформации тока в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети КА
3.2. Зависимость напряжения наводки в кабеле от расстояния до макетного стола измерительного стенда
3.3. Зависимость напряжения наводки в кабеле от длины и ширины макетного стола измерительного стенда
3.4. Зависимость частоты напряжения наводки от длины кабеля
3.5. Зависимость напряжения наводки от числа слоев оплетки кабеля
3.6. Выводы
4. Исследование электромагнитных наводок от электростатических разрядов во фрагментах бортовой кабельной сети космических аппаратов
4.1. Методика проведения автономных испытаний фрагментов БКС на стойкость к воздействию ЭСР
4.2. Алгоритм проведения испытаний БКС на стойкость к воздействию ЭСР
4.3. Результаты измерений коэффициентов трансформации тока в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети КХ
4.4. Выводы
Заключение
Список литературы
Введение
Электризация высокоорбитальных космических аппаратов (КА) определяется воздействием'на поверхность аппаратов потоков электронов и ионов космической плазмы. Это приводит к дифференциальному заряжению элементов КА и, как следствие, возникновению между элементами КА, изготовленными из различных диэлектрических материалов, значительных разностей потенциалов (до 10 кВ). Когда уровни максимальной напряженности электрического поля начинают превышать уровень критического поля в диэлектрике, происходят электростатические разряды (ЭСР). В результате по конструкции КА протекают импульсные токи, являющиеся источниками электромагнитных помех (ЭМП).
Основными рецепторами электромагнитных помех от конструкционных токов
являются фрагменты бортовой кабельной сети (БКС), проложенные по внешней поверхности КА. В этих фрагментах БКС индуцируются значительные (единицы и десятки- вольт) импульсные ЭДС, поступающие на входы блоков бортовой радиоэлектроники. В результате происходит нарушение режимов работы * бортовой аппаратуры в виде кратковременных сбоев и отказов, искажений информационных сигналов и сигналов управления. Кроме того, возможны несанкционированные срабатывания бортовых устройств и необратимые катастрофические отказы бортовой аппаратуры.
В нашей стране этим проблемам посвящены работы Е.Д. Пожидаева, Л.Н. Кечиева, В.Ю. Кириллова, А.И. Акишина, Л.С. Новикова, А.П. Тютнева, Г.В. Бабкина, Е.П. Морозова, А.Н. Доронина, Е.В. Никольского, Д.Н. Садовничего, И.А. Смирнова и других. Среди зарубежных специалистов можно отметить С. Фрэнкеля, Э. Вэнса, К. Кейси, Е. Ноулса, Л. Олсона, Г. Отта. Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику защиты бортовой аппаратуры от ЭСР.
Однако существующие в настоящее время методы расчета уровней помеховых сигналов в БКС от ЭСР не обладают достаточной точностью. Специалисты'Европейского космического агентства провели расчеты уровней помеховых сигналов в кабельных системах КА на основе структурной электрофизической модели, которая в зарубежной литературе называется методом сосредоточенных элементов. Исходным материалом для расчета служила картина растекания токов по поверхности КА, полученная с помощью программ «STRUKELEC» и «ESACAP». Взаимная индукция фрагмента БКС и участка

корпуса КА была рассчитана с помощью программы «MUTUAL» путем численного интегрирования магнитного потока, наводимого конструкционными токами.
Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными показало, что при расчете уровня помехи для постоянной плотности тока в пластине расчетное значение помехи превышает экспериментальные данные на 3 дБ. В случае учета скин-эффекта расчетный уровень помехи был меньше экспериментально определенного на 15 дБ. Таким образом, существующие расчетные методы не обеспечивают достаточную точность и требуют дальнейшего улучшения.
Здесь следует подчеркнуть следующее. Если расчетный уровень помехи больше, реального, то на разработку и изготовление электронного блока, стойкого к повышенному уровню помех, необходимо затратить больше средств. В том случае, если расчет покажет заниженное значение помехи на входе электронного блока, то изготовленный по такому ТЗ электронный блок не будет обладать достаточной помехоустойчивостью при возникновении ЭСР. Поэтому решение актуальной задачи повышения точности расчетов уровня помех на входах электронных блоков бортовой РЭА КА путем разработки новых методов, позволяет повысить стойкость этих блоков к помехам от электростатических разрядов, что, в конечном счете, приводит к увеличению срока активного существования высокоорбитальных КА.
Цель работы
Целью диссертационной работы является повышение точности расчетов уровня помех на входах электронных блоков бортовой РЭА КА путем разработки метода определения коэффициента трансформации тока, протекающего по корпусу космического аппарата от электростатического разряда, в напряжение помехи в БКС.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе последовательно решены следующие задачи:
• проведен обзор и анализ опубликованных литературных данных по воздействию электростатических разрядов на, кабельную сеть и бортовую РЭА КА, и на этой основе сформулированы основные задачи диссертационной работы;
• предложена модель воздействия ЭСР на БКС КА;
• на основе предложенной модели разработан метод определения коэффициента трансформации тока, протекающего по корпусу КА от ЭСР, в напряжение помехи в БКС, коммутирующей блоки БРЭА;

Поток электронов с плотностью тока Jmc облучает левую обкладку. Эта обкладка играет роль экрана, который ослабляет поток, так что в пластину, играющую роль кабельной изоляции, поступает поток с плотностью ,/ . Диэлектрик также ослабляет поток электронов, так что на второй обкладке, играющей роль центрального проводника, плотность тока будет J0.

Рис. 12. Одномерная модель слоя изоляции между экраном кабеля и центральным
проводником
Если составить уравнение баланса тока электронов, поступающих в диэлектрик, и тока электронов, уходящих из диэлектрика за счет индуцированной излучением проводимости, то можно получить следующее выражение для напряженности электрического поля, соответствующего стационарной плотности электронов в диэлектрике, или насыщению:
•А -/о _ $->‘ор Иб")
где а — коэффициент, характеризующий индуцированную облучением проводимость в формуле