Разработка методики проектирования экранов бортовых кабелей космических аппаратов для обеспечения помехозащищённости при воздействии электростатических разрядов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Томилин, Максим Михайлович

• Томилин, Максим Михайлович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Томилин, Максим Михайлович

Введение.л.

Г. Электростатические разряды на борту космических аппаратов.

1.1. Образование электростатических разрядов при взаимодействии; космических аппаратов с магнитосфернои плазмой.

1.2. Проникновение и распространение электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами^ в конструкции и бортовой кабельной сети космического аппарата: .„'.:.

1.3. Воздействие электромагнитных помех от электростатических разрядов на элементы и устройства бортовых систем космических аппаратов:.

2. Исследование электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами.1.„.:.

2.1. Расчёт параметров излучаемых электромагнитных помех от электростатических разрядов:.:.

2.1.1. Формулы расчёта параметров излучаемых электромагнитных помех.:.:.

2.1.2. Излучаемые электромагнитные помехи в ближней и дальней зонах.:.„.„.:. .:.

2.1.3. Расчёт параметров излучаемых электромагнитных помех на расстояниях, соизмеримых с длиной канала электростатического разряда:. . .:

2.2. Расчёт кондуктивных электромагнитньрс помех, создаваемых электростатическими разрядами. .;.„.:.

2.2.1. Расчёт кондуктивных электромагнитных помех в виде импульсных токов и напряжений на экранах бортовых кабелей при контактных электростатических разрядах.

2.2.2. Расчёт импульсных распределённых токов и напряжений на экранах кабелей; индуцированных излучаемыми электромагнитными помехами в виде электрического и магнитного полей, создаваемых электростатическими разрядами.

2.2.3. Расчёт напряжений на внутренних проводниках экранированных кабелей, индуцированных контактными искровыми разрядами и излучаемыми электромагнитными помехами от электростатических разрядов.

3. Исследование сопротивлений и функций связи экранов бортовых кабелей и гибких экранирующих материалов.

3.1. Исследование частотных зависимостей сопротивлений связи между экранами и внутренними проводниками бортовых кабелей.

3.2. Исследование частотных зависимостей функций связи между элементами конструкции и внутренними проводниками кабелей.

3.3 Исследование частотных зависимостей функций связи гибких экранирующих материалов.

3.4. Методика расчёта импульсных напряжений на внутренних проводниках на основе экспериментальных значений сопротивлений и функций связи.

4. Проектирование экранов бортовых кабелей.:.

4.1. Алгоритм определения параметров сплошных экранов.

4.2. Методика проектирования оплёточных экранов кабелей при воздействии импульсных электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики проектирования экранов бортовых кабелей космических аппаратов для обеспечения помехозащищённости при воздействии электростатических разрядов»

На современном этапе развития ракетно-космической техники актуальной является научно-техническая задача увеличения срока службы космических аппаратов.

Одним из направлений по продлению времени эксплуатации является повышение стойкости бортовой электронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов, возникающих вследствие дифференциальной зарядки диэлектрических поверхностей.

Влияние электростатических разрядов, образующихся при воздействии фактора космического пространства - магнитосферной плазмы, приводит к ухудшению качества функционирования бортовых систем, к появлению сбоев и отказов и, в ряде случаев, к выходу из строя их элементов и устройств или потере самого аппарата.

Бортовые кабели и проводники наиболее восприимчивы к воздействию электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами. Анализ их восприимчивости и повышение помехозащищённости является важной научно-технической задачей, и её успешное решение позволит увеличить сроки функционирования космических аппаратов на различных орбитах в условиях агрессивного воздействия электростатических разрядов.

Существующие способы расчёта, разработанные зарубежными исследователями (например, Каденом Г., Вэнсом Э.Ф.) и отечественными учёными (Кравченко В.И., Гродневым И.И., Дьяковым А.Ф., Максимовым Б.К., Куже-киным И.П. и др.), позволяют оценить реакцию внутренних проводников бортового кабеля на воздействие электромагнитных помех при известных параметрах экрана. Использование этих способов для обеспечения требуемой помехозащищённости и необходимых массогабаритных параметров основано на выборе заранее известных параметров экрана и последующих расчёте и экспериментальной проверке эффективности экранирования. В связи с этим, возникает необходимость в разработке методики проектирования, позволяющей целенаправленно определять параметры экрана по исходным данным, задаваемым в виде ограничений на индуцированные на внутренних проводниках электромагнитные помехи от электростатических разрядов, с учётом требований к помехозащищённости бортовой электронной аппаратуры и массогабаритным параметрам кабелей космического аппарата.

Цель работы. На основе исследования электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами, разработать методику проектирования экранов бортовых кабелей космических аппаратов, позволяющую обеспечивать требуемые уровень помехозащищённости и массогабаритные параметры.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- провести анализ: возникновения электростатических разрядов на борту космического аппарата, проникновения и распространения электромагнитных помех от электростатических разрядов в конструкции и бортовой кабельной сети, воздействия электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами, на элементы и устройства бортовых систем;

- теоретически оценить уровни излучаемых электромагнитных помех в виде импульсных электрического и магнитного полей от электростатических разрядов, возникающих вследствие электризации космического аппарата в магнитосферной плазме;

- осуществить анализ уровней кондуктивных электромагнитных помех в виде импульсных токов и напряжений, создаваемых электростатическими разрядами на экранах бортовых кабелей космических аппаратов;

- разработать методику расчёта напряжений на внутренних проводниках, индуцированных импульсными токами, протекающими на экранах кабелей и элементах конструкции космического аппарата, создаваемых электростатическими' разрядами;

- разработать алгоритм проектирования сплошных экранов бортовых кабелей космических аппаратов для защиты от воздействия электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами;

- разработать методику проектирования оплёточных экранов кабелей для защиты от воздействия электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами.

При решении сформулированных задач использовались: методы теоретической электротехники, электродинамические подходы, некоторые уравнения математической физики, теория приближений, численные методы оптимизации, а также теория функций комплексного переменного и операционное исчисление.

Научная новизна данной работы заключается в следующем:

- проведены теоретические исследования, позволяющие оценивать уровни напряжённостей импульсных электрического и магнитного полей от электростатических разрядов на расстояниях, соизмеримых с длиной его плазменного канала;

- предложена модель воздействия электростатического разряда на экранированный кабель и, на её основе, проведён теоретический анализ, позволяющий оценивать уровни кондуктивных электромагнитных помех в виде импульсных токов и напряжений, создаваемых электростатическими разрядами, на экранах и внутренних проводниках бортовых кабелей;

- предложена методика анализа помехозащищённости экранированных бортовых кабелей на основе экспериментальных частотных характеристик сопротивлений и функций связи;

- разработан алгоритм проектирования сплошных экранов бортовых кабелей при воздействии импульсных электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами;

- разработана методика проектирования оплёточных экранов бортовых кабелей для обеспечения требуемых уровня помехозащищённости и массога-баритных параметров при воздействии электростатических разрядов.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- полученные теоретические оценки уровней напряжённостей импульсных электрического и магнитного полей, создаваемых электростатическими разрядами, могут быть использованы в качестве исходных данных при проектировании экранов бортовых кабелей космических аппаратов;

- предложенная методика анализа позволяет моделировать реакцию внутренних проводников на воздействие импульсных токов электростатических разрядов на экранах и элементах конструкции космического аппарата, что даёт оценку помехозащищённости бортовых кабелей;

- реализованный в компьютерных средах МАТЬАВ и МаШсас! алгоритм позволяет автоматизировать процесс проектирования сплошных экранов бортовых кабелей с требуемыми помехозащищённостью и массогабаритными параметрами;

- разработанная методика проектирования позволяет определять параметры оплёточных экранов бортовых кабелей, при которых обеспечиваются заданная помехозащищённость и массогабаритные параметры при воздействии электростатических разрядов.

Автор защищает:

- оценки уровней напряжённостей импульсных электрического и магнитного полей от электростатических разрядов, возникающих на элементах конструкции космического аппарата на расстояниях, соизмеримых с длиной плазменного канала;

- модель воздействия на экранированные кабели электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами;

- методику анализа, позволяющую оценивать помехозащищённость бортовых кабелей при воздействии электростатических разрядов;

- алгоритм автоматизированного проектирования сплошных экранов бортовых кабелей;

- методику проектирования оплёточных экранов бортовых кабелей.

Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались на:

- 2-ой Всероссийской конференции учёных, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике» (Москва, 2009 г.);

- 8-ой и 9-ой Международных конференциях «Авиация и космонавтика»

Москва, 2009, 2010 г.г.);

- научно-практических конференциях молодых учёных и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавтике» (Москва, 2010,2011 г.г.);

- 9-ом Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости . и электромагнитной экологии ЭМС-2011 (Санкт-Петербург, 2011г.).

Результаты по тематике диссертационной работы отражены в тринадцати опубликованных работах, включая сборники тезисов докладов конференций. В журналах, включенных в перечень рекомендованных ВАК РФ, опубликовано пять статей.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованных источников, включающего сорок четыре наименования.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Томилин, Максим Михайлович

Выводы

1. В компьютерных средах МАТЪАВ и МаШсаё реализован алгоритм автоматизированного проектирования сплошных экранов бортовых кабелей с требуемыми уровнем помехозащищённости и массогабаритными параметрами.

2. Разработана методика проектирования оплёточных экранов бортовых кабелей, обеспечивающая требуемую помехозащищённость при воздействии электростатических разрядов с учётом ограничений, накладываемых на мас-согабаритные параметры. Данная методика реализована в средах МАТЪАВ и МаШсаё.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Проведён анализ: возникновения-электростатических разрядов на борту космического аппарата, проникновения и распространения электромагнитных помех от электростатических разрядов в конструкции и бортовой кабельной сети, воздействия электромагнитных помех, создаваемых электростатическими разрядами, на элементы и устройства бортовых систем.

2. Получены оценки уровней электромагнитных помех в виде импульсных электрического и магнитного полей, создаваемых электростатическими разрядами, возникающими вследствие дифференциальной зарядки диэлектрических поверхностей космического аппарата при его эксплуатации. Исследованы уровни электромагнитных помех на расстояниях, соизмеримых с длиной плазменного канала электростатического разряда.

3. Предложена модель воздействия электростатических разрядов на экранированные кабели, и, на её основе, проведён теоретический анализ, позволяющий оценивать уровни кондуктивных электромагнитных помех в виде импульсных токов и напряжений на экранах и внутренних проводниках бортовых кабелей.

4. Предложена методика анализа помехозащищённости экранированных бортовых кабелей, основанная на результатах экспериментальных исследований сопротивлений связи. Введены понятия функций,связи, позволяющих оценивать помехозащищённость экранированных кабелей и корпусов приборов от электростатических разрядов.

5. Разработан алгоритм проектирования сплошных экранов бортовых кабелей. Реализация предложенного алгоритма в компьютерных средах МАТЬАВ и МаШсас! позволяет автоматизировать процесс проектирования с учётом заданных помехозащищённости и массогабаритных параметров.

6. Разработана методика проектирования оплёточных экранов бортовых кабелей, обеспечивающая требуемую помехозащищённость от воздействия электростатических разрядов, с учётом ограничений, накладываемых на мас-согабаритные параметры. Использование данной методики позволяет снизить массу экрана бортового кабеля по сравнению с оплёткой типа «ПМЛ».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Томилин, Максим Михайлович, 2011 год

1. Плазменная гелиогеофизика. В 2 т. Т. I/ Под ред. JI.M. Зелёного, И.С. Веселовского. Ml: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 672 с.

2. Акишин А.И., Новиков JI.C. Модель космоса. М., 2007. - 2016 с.

3. Плазменная гелиогеофизика. В<2 т. Т. II / Под ред. JI.M. Зелёного, И.С. Веселовского. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 560 с.

4. Новиков Л.С. Взаимодействие космических аппаратов с окружающей плазмой. Учебное пособие. -М.: Университетская книга, 2006 . 120 с.

5. Н:В. Балюк, В.Г. Болдырев, В.П. Булеков, Л.Н. Кечиев, В.Ю. Кириллов, И.И. Литвак, В.А. Постников, С.Б. Резников; под ред. В JL Булекова. М.: Изд-во МАИ, 2004i - 648 с.

6. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М. Радио и связь, 2004. - 320 с.

7. Луценко В.Н. Радиация и надёжность работы бортовых микропроцессорных систем. Препринт / ИКИ АН СССР №1693. - М., 1990: - 21 с.

8. Baker D.N., Li X., Turner N. et al. Recurrent geomagnetic storms and rela-tivistic electron-enhancements in the outer magnetosphere: ISTP coordinated measurements: ISTP coordinated measurements // JGR. 1997. V. 102, No? A7. P: 14141-14148:

9. Koskinen K. Space weather and interaction with spacecraft // SPEE Final Report. Helsinki: Finnish Meteorological Institute, 1999.

10. Кузнецов H. В., Ныммик P.А. Фоновые потоки ионов как источник сбоев микроэлектроники на борту космических аппаратов // КИ. 1994. Т. 32, №2. С. 112-117.

11. Кузнецов H.B. Частота одиночных случайных эффектов в электронике на борту космических аппаратов // КИ. 2005. Т. 43. С. 423.

12. Miroshkin V.V., Tverskoy M.G. A simple approach to SEU cross section determination // IEEE Trans, on Nucl. Sei. 1998. V. 45, No. 6. P.2884 2890:

13. Pickel С. Single event effects rate prediction // IEEE trans, on Nucl. Sei. 1996. V.43, No. 2. P. 483 495.

14. Dmitriev A., Chao J.-K., Suvorova A. et al. Indirect estimation of the solar wind conditions in 29 -31 October 2003 // JGR., 2005b. V. 100, No. A9.

15. P. A09S02-1 A09S02-15. DOI: 10.1029/2004JA010806.

16. GarretH.B. //Rev. Geophys. SpacePhys. 1981. Vol. 19,No. 4. P. 577- 616.

17. А. Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. С предисловием JI. де Бройля. Пер. с фрнцузского под общей»редакцией К.С. Шифрина. -М:: Наука, главная редакция физико-математической, литературы, 1965. 780 с.

18. И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев; под ред. Г. Гроше и В; Циглера. Справочник по( математике для инженеров и учащихся ВТУЗов: — М.: Наука, главная редакция физико-математической литературы: перевод с немецкого, 1980: — 976 с.

19. JI.A. Бессонов. Теоретические основы электротехник. В 3-х ч. 3-е изд. - М.: Высш. Шк., 1961.-792 с.1. W

20. Шваб А.И: Электромагнитная совместимость. Пер. с нем. В.Д. Мазина и С.А. Спектора / под ред. И.П. Кужекина. М.: Энергоатомиздат, 1995. - 480 с.

21. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники: учебник для ВУЗов. В 3-х ч. Ч. 1. Линейные электрические цепи. 5-е изд., испр. и доп. - М. Энергия, 1978.-592 с.

22. Кравченко В.И., Болотов Е.А., Летунова И.И.; под ред. В.И. Кравченко Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. — М.: Радио и связь, 1987. 256 с.

23. Кошляков Н.С. Основные дифференциальные уравнения математической физики. — Ленинград, М.: Государственное технико-теоретическое издательство, 1933. 512 с.

24. Лунц Г.Л., Л.Э. Эльсгольц. Функции комплексного переменного. М.: Государственное издательство физико-математической»литературы, 1958. - 300 с.

25. Базыкин В:В. Преобразование Фурье расчёт переходных процессов в нагруженных длинных линиях // Межвузовский? сборник.: Сложные электромагнитные поля и электрические цени. Уфа, 1977, №5.

26. Базыкин В.В. Итерационный метод решения трансцендентного характеристического уравнения. Деп. в Информэлектро 27.10.78, № 39Д/ 1 117.30; Каганов З.Г. Электрические цепи с распределёнными параметрами и цепные схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 248 с.

27. CarlbiAlbertO'Nucci, Earhad Rachadi. On the electromagnetic field components dn field-to-transmission line interaction // IEEE transaction on electromagnetic compatibility. Vol^ 37, No 4, November 1995, p. 505 508;

28. Salvatore Celozzij.Mauro Eeliziani. Time domain solution of filed-exited multiconductor transmission line equations // IEEE transactions on electromagnetic compatibility. Vol. 37, No 3, August 1995,p. 421 432.

29. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. Перевод с английского Б.Н. Бронина / под редакцией М.В. Гальперина. -М.: издательство «Мир», 1979. 320 с.

30. Смирнов В.И. Курс высшей математики. Т. 2. М.: государственное издание физико-математической литературы, 1961. — 628 с.

31. Рикетс Л.У., Бриджес Дж., Майлетта Дж. Электромагнитный импульс и методы защиты: перевод с англ. / Под ред. Н.А. Ухина. — М.: Атомиздат, 1979.-327 с.

32. Robdrt М. Whitmer. Cable shielding performance and CW response // IEEE transactions on electromagnetic compatibility. Vol. EMC — 15, No 4, November 1973, p. 180-187.

33. Формалёв В.Ф., Ревизников Д.JI. Численные методы. — Изд. 2-е., испр., доп. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 400 с.

34. Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами. Перевод с английского В.А. Исаакяна / под редакцией Б.Н. Файзулаева. — М.: издательство «Мир», 1990; -238 с.

35. Гальперин Ю.И., Гладышев В.А., Козлов А.И. и др. Электромагнитная совместимость научного космического комплекса АРКАД-3. — М.: Наука, 1984.-192 с.

36. Вэнс Э.Ф. Влияние электромагнитных полей на экранированные кабели: перевод с англ. / Под ред. Л.Д. Разумова. М.: Радио и связь, 1982. - 120 с.

37. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов P.K., Кужекин И.П., Жуков А.В. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике / под редакцией А.Ф. Дьякова. М.: Энергоатомиздат, 2003. — 768 с.

38. Вольман В:И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика / под редакцией Г.З. Айзенберга. М.: издательство «Связь», 1971. — 487 с.

39. Провод с биметаллической жилой. Новые материалы и технологии, используемые при изготовлении бортовых кабелей / Электронный ресурс: http://www.smb-co.ru.