Методы расчета картины растекания тока по конструкции космического аппарата от электростатических разрядов на основе макромоделирования

• Автор: Востриков, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 144 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ БОЛЬШОЙ РАЗМЕРНОСТИ
1.1. Электризация космических аппаратов. Электростатические разряды на поверхности космических аппаратов
1.2. Программное обеспечение по моделированию воздействия космической среды на работу космических аппаратов
1.3. Подходы к моделированию картины растекания переходных токов, вызванных ЭСР, по корпусу и элементам конструкции космических аппаратов
1.4. Тестирование коммерческого программного обеспечения для моделирования и анализа эквивалентных электрических схем космических аппаратов
1.5. Координатные базисы построения моделей схем космических аппаратов
] .6. Обзор методов анализа моделей космических аппаратов
1.6.1. Численно-аналитические методы
1.6.2. Численные методы
1.7. Обзор и анализ основных подходов к снижению трудоемкости вычислений
1.7.1. Методы разреженных матриц
1.7.2. Методы подсхем
1.7.3. Методы макромоделирования
1.8. Постановка задачи диссертационной работы
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ВЫДЕЛЕННЫХ ОБЛАСТЕЙ
2.1. Введение
2.2. Стратегия проведения эксперимента
2.3. Метод выделения локальных областей
2.4. Выводы
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО МЕТОДА РЕДУКЦИИ, ОСНОВАННОГО НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЯВНОГО И НЕЯВНОГО МЕТОДОВ ЭЙЛЕРА
3.1. Введение
3.2. Разработка методов редукции вычислительной схемы методов Эйлера (для плотных матриц)
3.3. Оценки трудоемкости процессов редукции моделей и эффективности использования редуцированных моделей
3.4. Требования к формированию блочных матриц моделей
3.5. Разработка алгоритмов формирования блочных матриц моделей
3.6. Теоретические оценки эффективности предлагаемых алгоритмов
3.7. Выводы
ГЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ
УСКОРЕННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЛИНЕЙНЫХ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
4.1. Введение
4.2. Структура программного обеспечения
4.3. Принцип работы разработанного программного обеспечения
4.4. Примеры решаемых задач, сравнения теоретических и экспериментальных оценок трудоемкости и точности результатов вычислений
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Одним из факторов, ограничивающих надежную и длительную эксплуатацию космических аппаратов (КА) является электризация и связанные с ней электростатические разряды (ЭСР). Электромагнитные помехи (наводки), создаваемые ЭСР, вызывают сбои в работе бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА) КА, а интенсивные разрядные токи могут привести к необратимым повреждениям элементов аппаратуры. Основными рецепторами импульсных помех от ЭСР являются фрагменты бортовой кабельной сети (БКС), проложенные по внешней поверхности КА.
В 30% случаев причиной аномалий в работе искусственных спутников Земли является электризация. Поэтому были предприняты значительные усилия по экспериментальному и теоретическому изучению явления электризации КА.
Проблемы электризации рассматриваются в работах А.И. Акишина, Л.С. Новикова, Е.Д. Пожидаева, B.C. Саенко, Л.Н. Кечиева, А.П. Тютнева,
В.Ю. Кириллова, А.Н. Доронина, Нефедова В.И. Этими учеными внесен значительный вклад в теорию и практику защиты бортовой аппаратуры КА от ЭСР.
Попытки полного исключения возможности возникновения ЭСР путем подбора материалов внешней поверхности КА или активной защиты КА до настоящего времени успехом не увенчались. Удается лишь снизить частоту и мощность ЭСР, но не исключить их полностью. Поэтому необходимо принимать дополнительные меры для безотказной работы электроники КА, при воздействии на нее ЭСР.
Одним из важнейших способов предотвращения отказов БРЭА КА, являющихся результатом воздействия ЭСР, представляется моделирование картины растекания токов по поверхности КА и расчет величин возникающих помеховых сигналов во фрагментах БКС, проложенных по внешней поверхности КА. Величины рассчитанных таким образом

узлах:
С~Х(0 + СХ(1) +1 х(/) = 7(0, (1.5.1)
где С - матрица емкостей, в - матрица проводимостей, Ь - матрица индуктивностей, Х(0- вектор искомых фазовых переменных (напряжений во всех узлах схемы и токов, протекающих через индуктивные элементы), 7(0 - вектор входных сигналов.
Достоинства модели в ОКБ:
- Метод построения прост, обладает низкой трудоемкостью.
- Матрицы, как правило, хорошо обусловлены, результатом чего является высокая точность решения.
Недостатки:
- Используется только один вид зависимых источников (источник тока, управляемый напряжением).
- Наличие интегральных уравнений.
2. Расширенный однородный координатный базис (РОКБ)
Модель в РОКБ строится с помощью модифицированного метода узловых потенциалов [53]. Цель построения - избавиться от интегральных уравнений и оставить только дифференциальные уравнения:
1) Записывается модель в ОКБ.
2) Избавляемся от интегральных членов уравнения ( вида 1/рЬ, т. к. 1/р - оператор интегрирования), преобразовывая их в новые неизвестные (например, токи).
Получим систему линейных обыкновенных дифференциальных уравнений 1-го порядка:
С~Х(0 + ОХ(0 = 7(Ц, Х(0) = Хо, (1.5.2)

где С - матрица реактивных элементов, С - матрица проводимостей, Х{1) - вектор искомых фазовых переменных (напряжений во всех узлах