Исследование и разработка безразрядной изоляции проводов и кабелей космического применения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Толстиков Семен Юрьевич

• Толстиков Семен Юрьевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Толстиков Семен Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор и анализ литературных данных по электризации космических аппаратов и объемной электризации полимерных диэлектриков

1.1 Электризация космических аппаратов в околоземной горячей плазме

1.2 Объемная электризация космических аппаратов

1.3 Электризация проводов и кабелей космического применения

1.4 Моделирование электризации проводов и кабелей космического применения

1.5 Электризация и радиационная электропроводность полимеров

1.6 Постановка цели и задач исследования

2 Моделирование электризации полимерного диэлектрического слоя проводов космического применения

2.1 Физико-математическая модель заряженного стационарного состояния при радиационной электризации изоляции проводов космического применения

2.2 Методика моделирования электризации проводов космического применения

2.3 Моделирование электризации монтажных проводов космического применения

2.3.1 Моделирование электризации монтажных проводов с полимерным диэлектрическим слоем на основе полиэтилентерефталата

2.3.2 Моделирование электризации монтажных проводов с полимерным диэлектрическим слоем на основе полиэтилена

2.3.3 Моделирование электризации монтажных проводов с полимерным

диэлектрическим слоем на основе полиимида

2.4 Моделирование электризации радиочастотных кабелей с полимерным диэлектрическим слоем на основе политетрафторэтилена

2.5 Моделирование электризации бортовых проводов с полимерным диэлектрическим слоем на основе поливинилхлорида

2.6 Моделирование электризации силовых проводов с полимерным диэлектрическим слоем на основе полипропилена

2.7 Выводы по разделу

3 Экспериментальные исследования электризации полимерной диэлектрической изоляции проводов

3.1 Экспериментальная установка для исследования электризации полимерных диэлектриков

3.1.1 Экспериментальная установка для исследования электризации полимерных диэлектриков при комнатной температуре

3.1.2 Особенности экспериментальной установки для исследования электризации полимерных диэлектриков при низких температурах

3.2 Методики исследования электризации полимерных диэлектриков

3.2.1 Методика экспериментального исследования электризации полимерных диэлектриков при комнатной температуре

3.2.2 Особенности методики экспериментального исследования электризации полимерных диэлектриков при низких температурах

3.3 Результаты исследования электризации проводов с полимерным изоляционным слоем из полиэтилентерефталата, полиэтилена низкой плотности, полиимида и полипропилена

3.3.1 Изоляционный слой из полиэтилентерефталата

3.3.2 Изоляционный слой из полиэтилена низкой плотности

3.3.3 Изоляционный слой из полиимида

3.3.4 Изоляционный слой из полипропилена

3.4 Выводы по разделу

4 Инженерная методика выбора полимерного диэлектрического материала для слоя изоляции проводов космического применения

4.1 Разработка инженерной методики выбора полимерной диэлектрической изоляции провода космического применения

4.2 Разработка программы для сбора и последующей верификации экспериментальных данных по электризуемости полимерных диэлектриков космической техники

4.3 Практическая реализация инженерной методики выбора полимерной диэлектрической изоляции провода космического применения

4.4 Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка безразрядной изоляции проводов и кабелей космического применения»

ВВЕДЕНИЕ

С момента первого полета человека в космос в 1961 году исследование космического пространства стало одним из важнейших направлений развития науки и технологии. Однако, вместе с технологическими достижениями и научными открытиями, появились и новые проблемы, связанные с нахождением человека и техники в космическом пространстве. Несмотря на ряд сложностей, ученые и инженеры постоянно работают над созданием новых технологий и решений, чтобы обеспечить безопасность и эффективность космических миссий. На данный момент эксплуатация космических аппаратов (КА) остается одной из самых важных и интересных областей науки и технологии. Для проведения космических исследований необходимы высокотехнологичные и надежные оборудование и системы, что всегда остается стимулом к совершенствованию и развитию непосредственно самих КА.

Методы проведения лабораторных и натурных экспериментов, расчетные методы и методы обработки информации и прочие достижения в этой области были созданы благодаря параллельному развитию двух направлений: исследования космического пространства и обеспечение длительной надежной работы КА. С развитием технологий и возрастанием требований к космической отрасли становится ясно, что необходимо постоянно обновлять и расширять знания о воздействии факторов космического пространства (ФКП) на материалы и оборудование КА. На постоянной основе происходит поиск новых методов защиты КА, а именно появление новых конструкций и материалов, усложнение аппаратуры, увеличение её чувствительности, а также создание новых спутниковых систем и решение новых целевых задач.

КА, находящиеся на орбитах вблизи Земли, подвергаются комплексу ФКП. Этот комплекс включает в себя высокоэнергетические потоки электронов и ионов, космическую плазму, излучение Солнца, а также микрометеориты (естественного и искусственного происхождения). Воздействие всех этих факторов вызывает

различные физико-химические процессы в материалах и элементах бортового оборудования космических аппаратов, что ухудшает их эксплуатационные параметры и, как следствие, ведёт к отказам в работе. Так, заряженные частицы высоких энергии, проникают глубоко в толщу материалов и во внутренние отсеки КА.

КА подвергаются воздействию множества заряженных частиц: солнечных, галактических и космических лучей, а также высокоэнергетическим частицам радиационных поясов Земли. Заряжение частей КА, в том числе, происходит во время солнечных вспышек и геомагнитных бурь. Частицы представлены преимущественно электронами и протонами. Радиационные условия на борту космических аппаратов зависят от типа орбиты, через которые проходит аппарат, и от особенностей конструкции. Под воздействием корпускулярных излучений возникают различные обратимые и необратимые эффекты в материалах и элементах КА, что может привести к нарушению нормального функционирования бортовых систем и сократить срок службы КА. При неравномерном заряжении частей КА между ними могут возникать электростатические разряды (ЭСР), которые приводят к отказам КА и прерыванием всей миссии. Зачастую ЭСР являются причиной широкого спектра электромагнитных помех (ЭМП), к которым так чувствительна бортовая электроника. Одно из следствий ЭСР - так же возможное разрушение материалов КА, т.е. повышение вероятности образования микротрещин в компонентах КА, что в свою очередь может привести к снижению надежности и продолжительности эксплуатации.

Одним из перспективных направлений является использование новых материалов и покрытий, которые могут уменьшить накопление зарядов на поверхности и внутри КА и, следовательно, снизить вероятность возникновения ЭСР. Например, использование новых материалов с высокими теплопроводностью и электропроводностью может уменьшить накопление статических зарядов и повысить надежность работы оборудования. Таким образом, проблемы электризации КА на околоземных орбитах являются серьезным вызовом для инженеров и ученых.

Объект исследования. Полимерная изоляция проводов и кабелей, применяемых в космической отрасли.

Предмет исследования. Закономерности процессов заряженного стационарного состояния при радиационной электризации изоляции проводов и кабелей космических аппаратов и исключение физической возможности возникновения ЭСР типа «заряженный объем диэлектрика(изоляции) - проводник (токопроводящая жила)».

Цель исследования и научные задачи. Цель исследования: увеличение срока активного существования космического аппарата за счет повышения устойчивости бортовой кабельной сети к эффектам электризации за счет использования полимерной изоляции проводов и кабелей, исключающей физическую возможность возникновения электростатических разрядов типа «изоляция - токопроводящая жила».

Для выполнения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1. Разработать физико-математическую модель заряженного стационарного состояния радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры при равномерной по объему инжекции электронов.

2. С помощью предложенной модели провести компьютерное моделирование электризации изоляционных слоев проводов, использующих основные полимеры космического применения. На этой основе оценить их электризуемость и выявить условия, при которых будут наблюдаться ЭСР.

3. Выполнить экспериментальные исследования электризуемости изоляционных слоев проводов на основе полимеров космического применения., базируясь на измерении их радиационной электропроводности как при комнатной, так и при низкой температуре кипения жидкого азота. Провести сравнение экспериментальных и расчетных данных для проверки модели на адекватность.

4. На базе физико-математической модели заряженного стационарного состояния радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры разработать инженерную методику выбора полимерного диэлектрического слоя изоляции проводов космического

применения, позволяющую аналитически оценивать возможность возникновения ЭСР в конкретном типе провода без проведения сложных и ресурсоёмких численных расчетов.

Научная новизна:

1. Предложена физико-математическая модель заряженного стационарного состояния радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры при равномерной по объему инжекции электронов, отличающаяся от известных тем, что позволяет в стационарном режиме аналитически оценивать возможность возникновения ЭСР в конкретном типе провода с полимерной диэлектрической изоляцией без проведения сложных и ресурсоёмких численных расчетов.

2. С использованием разработанной модели проведено компьютерное моделирование радиационной электризации проводов с изоляционным слоем на основе: полиэтилентерефталата, полиэтилена низкой плотности, полиимида, политетрафторэтилена, поливинилхлорида и полипропилена, и получены новые научные данные по величинам максимальной напряженности электрического поля, возникающих в них в условиях геомагнитной суббури.

3. Получены новые научные данные об объемной электризации полиэтилентерефталата, полиэтилена низкой плотности, полиимида и полипропилена при температуре кипения жидкого азота (103 К), в частности, зависимости их радиационной электропроводности от времени облучения электронами.

4. Разработана инженерная методика выбора полимерного диэлектрического слоя изоляции проводов космического применения.

Практическая значимость:

1. Разработанная инженерная методика выбора полимерного диэлектрического слоя изоляции проводов космического применения позволяет выбрать полимерный материал, который при определенных параметрах провода исключает физическую возможность возникновения ЭСР типа «изоляция-токопроводящая жила». Это позволит повысить функциональную безопасность

космического аппарата не только на стадии планирования полетной миссии, но и на стадии проектирования.

2. Разработана программа, предназначенная для автоматизации процессов сбора, обработки и анализа экспериментальных данных, связанных с исследованием электризуемости полимерных диэлектриков, используемых в космической технике, и обеспечивающей полную автоматизацию процесса расчетов (как типовых, так и дополнительных при необходимости экспериментальных исследований) по разработанной инженерной методике непосредственно на рабочем месте инженера или конструктора.

Методы исследования:

1. Метод компьютерного физического моделирования в программном пакете Python радиационной электризации проводов с изоляционным слоем на основе полимерных диэлектриков космического применения позволяющий получить новые научные данные по величинам максимальной напряженности электрического поля, возникающих в этих диэлектриках в условиях геомагнитной суббури.

2. Экспериментальный метод исследования радиационной электропроводности при комнатной и низких температурах полимерных изоляционных материалов проводов и кабелей космического применения.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Физико-математическая модель заряженного стационарного состояния радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры при равномерной по объему инжекции электронов, отличающаяся от известных тем, что позволяет в стационарном режиме аналитически оценивать возможность возникновения ЭСР в конкретном типе провода с полимерной диэлектрической изоляцией без проведения сложных и ресурсоёмких численных расчетов.

2. Результаты компьютерного моделирования радиационной электризации проводов с изоляционным слоем на основе: полиэтилентерефталата, полиэтилена низкой плотности, полиимида, политетрафторэтилена, поливинилхлорида и

полипропилена, и полученные новые научные данные по величинам максимальной напряженности электрического поля, возникающих в них в условиях геомагнитной суббури.

3. Новые научные данные об объемной электризации полиэтилентерефталата, полиэтилена низкой плотности, полиимида и полипропилена при температуре кипения жидкого азота (103 К), в частности, зависимости их радиационной электропроводности от времени облучения электронами.

4. Разработана инженерная методика выбора полимерного диэлектрического слоя изоляции проводов космического применения.

Достоверность полученных результатов в диссертационной работе подтверждается:

• использованием современных программных пакетов для моделирования и численного расчета физической модели;

• использованием передовых современных экспериментальных методов исследования;

• соответствием полученных модельных расчетов с экспериментальным результатом и фундаментальными физическими принципами;

Соответствие паспорту специальности. Цель исследования состоит в том, чтобы повысить устойчивость бортовой электронной аппаратуры КА к эффектам электризации с помощью разработанного метода создания безразрядной изоляции проводов и кабелей космического применения. В том числе, предложенные инженерная методика и программное обеспечение позволят исключить физическую возможность возникновения ЭСР типа «изоляция - токопроводящая жила», что соответствует области исследования согласно паспорту специальности 2.2.13 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» -«исследования процессов и явлений в радиотехнике, позволяющих повысить эффективность радиотехнических устройств и систем».

Личный вклад соискателя состоит в постановке и решении задач диссертационного исследования, в том числе разработке физико-математической

модели заряженного стационарного состояния радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры, непосредственного участия в постановке компьютерного моделирования для подтверждения предложенной физической модели, а также в разработке инженерной методики выбора полимерного диэлектрического слоя изоляции проводов космического применения.

По теме исследования была проведена научно-исследовательская работа «Цифровая технология получения и последующей верификации экспериментальных данных по электризуемости полимерных диэлектриков космической техники», которая стала одним из победителей конкурса исследовательских проектов молодых ученых НИУ ВШЭ по программе «Цифровая трансформация: технологии, эффекты, эффективность», реализуемая в рамках Программы «Приоритет-2030» в 2022 г.

Апробация. Результаты диссертационного исследования были представлены в виде докладов и прошли апробацию на следующих конференциях:

1. Межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов им. Е.В. Арменского, МИЭМ НИУ ВШЭ, г. Москва, Россия,

2021 г. доклад «Разработка методики экспериментального исследования помехозащищенности бортовой кабельной сети ракеты-носителя от воздействия электромагнитных импульсов»;

2. XXII межвузовская молодежная научная школа-конференции им. Б.С. Ишханова «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», НИИЯФ МГУ, г. Москва, Россия, 2021 г., доклад «Исследование и разработка безразрядной изоляции проводов космического применения»;

3. Межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов им. Е.В. Арменского, МИЭМ НИУ ВШЭ, г. Москва, Россия,

2022 г. доклад «Безразрядная изоляция проводов и кабелей космического применения»;

4. XXIII межвузовская молодежная научная школа-конференции им. Б.С. Ишханова «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», НИИЯФ МГУ, г. Москва, Россия, 2022 г., доклад «Инженерная методика расчета объемного заряжения изоляции проводов космического применения»;

5. Межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов им. Е.В. Арменского, МИЭМ НИУ ВШЭ, г. Москва, Россия,

2023 г. доклад «Программное обеспечение для верификации экспериментальных данных по радиационной электропроводности полимеров»;

6. XXIV межвузовская молодежная научная школа-конференции им. Б.С. Ишханова «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», НИИЯФ МГУ, г. Москва, Россия, 2023 г., доклад «Низкотемпературная радиационная электропроводность ПЭТФ и ППМИ при облучении электронами низких энергий»;

7. Межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов им. Е.В. Арменского, МИЭМ НИУ ВШЭ, г. Москва, Россия,

2024 г. доклад «Моделирование радиационного заряжения полимерной изоляции проводов космического применения при низких температурах».

Публикации, авторские права и патенты.

Согласно Высшей аттестационной комиссии (ВАК) при исследовании актуальных технологических проблем патенты на промышленные разработки или свидетельства о регистрации программных продуктов приравниваются к написанию и публикации статей по результатам исследования. Во время диссертационной работы были опубликованы:

1. Толстиков, С.Ю. Исследование и разработка безразрядной изоляции проводов космического применения / С.Ю. Толстиков, В.С. Саенко, А.П. Тютнев // Журнал технической физики. — 2022. — Т. 92, № 6. — С. 779-782.

2. Tolstikov, S.Y. Research and development of discharge free insulation of wires for space application / S.Y. Tolstikov, V.S. Saenko, A.P. Tuytnev // Technical Physics. — 2022. — Vol. 6. — P. 661.

3. Толстиков, С.Ю. Компьютерное моделирование радиационного заряжения полимерных материалов космического применения при низких температурах / С.Ю. Толстиков, И.Р. Муллахметов, Е.Д. Пожидаев, С.Р. Тумковский // Технологии ЭМС. — 2024. — № 1(88). — С. 62.

4. Толстиков, С.Ю. Программа расчёта максимального электрического поля на диэлектрическом слое провода: свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2021669525 / С.Ю. Толстиков; правообладатель ФГАОУ ВО "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики". — Заявка № 2021668368 от 19.11.2021; зарегистрировано 30.11.2021.

5. Толстиков, С.Ю. Программа для расчета поглощенной энергии полимерным диэлектрическим слоем провода космического применения при ионизирующем облучении электронами: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024669422 / С.Ю. Толстиков; правообладатель ФГАОУ ВО "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики". — Заявка № 2024668167 от 03.08.2024; зарегистрировано 16.08.2024.

6. Толстиков, С.Ю. Программа для сбора и последующей верификации экспериментальных данных по электризуемости полимерных диэлектриков космической техники: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023661020 / С.Ю. Толстиков, И.Р. Муллахметов; правообладатель ФГАОУ ВО "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики". — Заявка № 2023619077 от 10.05.2023; зарегистрировано 25.05.2023.

Копии свидетельств о государственной регистрации программ представлены в приложениях А, Б и В, соответственно.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы.

В первой главе рассмотрен проблема объемного заряжения полимерных диэлектрических материалов КА в магнитосферной плазме и выявлены условия «наихудшего случая». Приведена как зарубежная, так и отечественная статистика по отказам КА на околоземной орбите из-за возникновения ЭСР. Перечислены

основные типы и характеристики исследуемых проводов и кабелей, а также соответствующие ГОСТ и ТУ. Обозначены основные зарубежные программные комплексы по расчету объемного заряжения материалов и конструкций КА. Поставлена цель работы и перечислены основные задачи исследования.

Во второй главе изложена разработанная физико-математическая модель заряженного стационарного состояния радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры при равномерной по объему инжекции электронов, позволяющая в стационарном режиме аналитически оценивать возможность возникновения ЭСР в конкретном типе провода с полимерной диэлектрической изоляцией без проведения сложных и ресурсоёмких численных расчетов. Приведены результаты компьютерного моделирования радиационной электризации проводов с изоляционным слоем на основе: полиэтилентерефталата, полиэтилена низкой плотности, полиимида, политетрафторэтилена, поливинилхлорида и полипропилена, и полученные новые научные данные по величинам максимальной напряженности электрического поля, возникающих в них в условиях геомагнитной суббури.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований объемной электризации полиэтилентерефталата, полиэтилена низкой плотности, полиимида и полипропилена при температуре кипения жидкого азота (103 К), в частности, зависимости их радиационной электропроводности от времени облучения электронами. Выполненные исследования показали, что предложенная физико-математическая модель заряженного стационарного состояния радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры адекватно описывает поведение указанных полимеров в отношении возникновения ЭСР. Подтверждается совпадением результатов расчетов в пределах от 19 до 35 % предложенной физико-мат модели с результатами проведенных экспериментов с усредненной погрешностью 25 %, что указывает на достаточную адекватность этой модели.

В четвертой главе приведены основы разработанной инженерной методики выбора полимерной диэлектрической изоляции проводов космического

применения, позволяющей еще на стадии проектирования КА оценить провода космического применения для миссий на геостационарной или высокоэллиптической орбитах Земли на предмет физической возможности ЭСР типа «изоляция» - «токопроводящая жила», и дающей возможность подобрать диэлектрическую полимерную изоляцию провода с соответствующей темновой и радиационной проводимостью, которые обеспечивают «безразрядный» характер его эксплуатации. Рассмотрен разработанный алгоритм программы, предназначенный для автоматизации процессов сбора, обработки и анализа экспериментальных данных, связанных с исследованием электризуемости полимерных диэлектриков, используемых в космической технике, и обеспечивающей полную автоматизацию процесса расчетов по предложенной инженерной методике.

В заключении диссертации приводятся результаты выполненных работ в рамках исследования, актуальность и дальнейшие перспективы выбранной темы.

1 Обзор и анализ литературных данных по электризации космических аппаратов и объемной электризации полимерных диэлектриков

Начиная с первых запусков космических аппаратов (КА) на геостационарные орбиты (ГСО) в 1970-х гг., стало ясно, что параметры горячей плазмы на высоте от 36 000 км и выше, при пересечении радиационных поясов Земли (РПЗ), неблагоприятно воздействуют на КА [1 - 3]. Потенциалы на КА, возникающие при нахождении в магнитосферной плазме, могут достигать 20 кВ, что становится причиной возникновения ЭСР и как следствие ЭМП, а в некоторых случаях и к выводу из строя бортовой аппаратуры, разрушению материалов или конструкции КА [4 - 6]. Проблема усложняется неоднородной структурой КА как внутри, так и снаружи, а также наличием значительного числа диэлектрических материалов (изоляция проводов, солнечные панели, печатные платы и т.д.) [7]. Таким образом потенциалы различных участков КА будут отличаться в связи с разными воздействиями космических излучений, освещенностью данных участков, радиационной стойкостью материалов и т.д. Возникнет «дифференциальное заряжение» частей КА, что и приводит непосредственно к возникновению ЭСР [8].

При изучении электризации КА в земной магнитосфере рассматривают две ключевые ситуации. Первая ситуация связана с полетами на низких околоземных орбитах, где космический аппарат окружен относительно плотной холодной ионосферной плазмой с энергией 0,1 эВ и концентрацией частиц в диапазоне 104 -106 на см3. Вторая связана с действием на аппарат разреженной гор ячей магнитосферной плазмы на больших высотах (например, на геосинхронной орбите или на высокоэллиптических орбитах) (таблица 1.1). Температура этой плазмы около 104 эВ, а концентрация частиц составляет от 0,1 до 1,0 частиц на см3 [9].

Таблица 1.1 - Факторы электризации КА для разных типов орбит, взято из [9]

Тип орбиты Н, км / град. Ф, В Воздействуют, ие факторы Угловое распределен ие Роль эмиссионных процессов

Геостационарная, 3600 - горячая изотропное велика

апогейные участки 0/ (10 плазма,

высокоэллиптичес ±1,5 3 - солнечное

ких (ИСЗ «Молния») 4000 0 / 65 104 ) излучение

Низкие 200 -2000 / 0 -70 (0, 1 -5) холодная ионосферная плазма анизотропно е пренебрежимо мала

200 - холодная анизотропно заметна

2000 (10 ионосферная е

/ 2 - плазма,

Низкие полярные > 70 103 авроральные электроны, солнечное излучение

>(60 +(5 солнечное анизотропно Определяющая

За пределами магнитосферы - 120) X 103 20) излучение, плазма солнечного ветра е роль фотоэлектронн ой эмиссии

1.1 Электризация космических аппаратов в околоземной горячей плазме

КА типа «Молния» с 1965 года являются серией российских спутников связи, работающих на высокоэллиптических орбитах [10]. Эти орбиты позволяют спутникам находиться над одной и той же территорией Земли в течение длительного времени, что удобно для различных задач связи и наблюдения. К тому же подобные ИСЗ примечательны тем, что на них проводились разнообразные эксперименты, включая исследования по электризации космических аппаратов и воздействию космической плазмы [11]. Это было особенно актуально, учитывая

специфические условия высокоэллиптической орбиты, где КА подвергается различным видам радиации и взаимодействует с частицами магнитосферы [12].

С данными, полученные миссией SCATHA в 1979 году стартовала эпоха исследования вопросов, касающихся эффектов электризации КА на орбитах вблизи Земли. Эта важная фаза исследований продолжается по сей день. Первоначально, научное внимание было сосредоточено на изучении закономерностей поверхностной электризации КА. В настоящее время, исследователи все больше интересуются внутренней электризацией в силу того, что значительная доля космических аномалий обусловлена эффектами этого типа электризации КА [13, 14]. Данные с аппарата SCATHA представляли собой результаты измерений, производимых детектором RSPD, и представляли электронную и ионную обстановку с интервалом в 1 с в диапазоне от 50 эВ до 0,5 МэВ. Начиная с 1986 года, широкодоступные данные о высокоэнергетических частицах предоставляются со спутников серии GOES [15], располагающихся на ГСО.

Запущенный в 1990 году, спутник CRRES [16] собрал важную информацию о радиационных поясах Земли и открыл новую главу в изучении электризации КА. Это был первый эксперимент, специально разработанный для исследования проблемы внутренней электризации. Спутник собрал подробные данные о том, где и как часто возникают ЭСР внутри КА при нахождении аппарата в условиях магнитосферы Земли. Что касается технических характеристик, CRRES был запущен на орбиту с эксцентриситетом и наклонением в 18 Эта орбита простирается от радиационных поясов Ван-Аллена до геосинхронной орбиты. Спутник совершал полный оборот вокруг Земли за 10 часов и мог измерять электроны с энергией от нескольких эВ до 10 МэВ. Важные данные были собраны с 25 июля 1990 года по октябрь 1991 года. Они включают в себя подробные измерения частот внутренних ЭСР, а также данные о радиационном фоне.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Толстиков Семен Юрьевич, 2025 год

- ;

2

; | ------

|

/ ! — ________ ———~' * 1

1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400

^ с

Рисунок 3.15 - Зависимость Е(1) для пленок ПЭНП при плотности потока электронов ¡0 = 10-5 А хм-2: 1 - при комнатной температуре (оранжевая кривая), 2 -

при температуре 103 К. Пунктирная прямая красного цвета показывает уровень напряженности поля, при которой начинаются ЭСР

Анализируя кривые на рисунке 3.15, отмечаем, что поведение полимера ПЭНП в отношении радиационной электропроводности и электризации при облучении электронами сходно с ПЭТФ. При комнатной температуре ЭСР не наблюдаются, но при низкой температуре ПЭНП электризуется даже несколько интенсивней, чем ПЭТФ: кривая достигает критического в плане разрядов уровня быстрее, чем кривая ПЭТФ, а это означает, что разряды начнутся быстрее.

Полученные из эксперимента данные по максимальной напряженности поля в ПЭНП при комнатной и низкой температуре сведены в таблицу 3.2. Сюда же помещены результаты моделирования электризации проводов с изоляционным слоем на основе ПЭНП, которые представлены в главе 2.

Таблица 3.2 - Сравнение результатов экспериментальных измерений и расчетов максимальной напряженности поля по предложенной модели (раздел 2.3)

электризации полимерного диэлектрического слоя изоляции проводов на основе полиэтилена низкой плотности при плотности потока электронов /0 = 10-5 А хм-2

Метод Эксперимент Моделирование

Образец 1 Образец 2

Температура, К 298 103 298 103 298 103

Emax, В/М 4,5х106 5х107 4х106 4х107 3,5х106 3,5х107

Погрешность, % — — 12 20 22 30

ЭСР нет да нет да нет да

Для комнатной температуры погрешности моделирования составляют 12 % для 1 образца и 22 % для 2 образца. Для температуры 103 К погрешности моделирования составляют 20 % для 1 образца и 30 % для 2 образца.

Таким образом, предложенная физико-математическая модель заряженного стационарного состояния радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры описывает поведение ПЭТФ в отношении возникновения ЭСР с усредненной погрешностью 21 % , что указывает на достаточную адекватность этой модели.

3.3.3 Изоляционный слой из полиимида

Были проведены экспериментальные исследования радиационной электропроводности полиимида при комнатной температуре и температуре кипения жидкого азота 103 К. Использовалась тот же материал, что составлял основу изоляционного слоя провода МС 26-15 (согласно ТУ16.К76-160-2000), моделирование заряжения которого исследовалось во второй главе. Полученная экспериментальная кривая зависимости РЭ пленки ПИ от времени облучения при плотности потока электронов 3,18х10-4 А/м2 и комнатной температуре показана на рисунке 3.16.

Мы отмечали в главе 1, что зависимость РЭ ПИ от времени облучения электронами в вакууме имеет особый характер. После появления максимума и небольшого спада электропроводности наблюдается её рост, вызванный образованием продуктов радиолиза ПИ, обладающих свойствами проводящих центров [113]. Поэтому аппроксимационная кривая для РЭ ПИ имеет совершенно другой вид, по сравнению с кривыми ПЭТФ и ПЭНП. (рисунок 3.17). Для расчетов в качестве относительной диэлектрической постоянной в полимерного диэлектрика ПИ взято значение 3,5, а А для ПИ составляет 0,82.

1Г& отн.ед

—

1 -1- 1

О 500 1000 1500 2000 2500

I, с

Рисунок 3.16 - Экспериментальная кривая зависимости радиационной электропроводности пленки ПИ толщиной 25 мкм от времени облучения электронами 50 кэВ. Температура комнатная.

уп Ом"1.м"1

1,2*КГ11 п

1,о*1о-11 Н

8,0x10

12 .

б,0*10-12н

4,0><10"12 -I

2,0*10"12 Н

0,0-

— ----- --;-- - - -

----- / —

-ПИ при 298К -Аппроксимация

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

1, С

Рисунок 3.17 - Экспериментальная кривая радиационной проводимости ПИ от времени электронного облучения (1) - черная, и расчетная аппроксимационная

кривая (2) - красная. Плотности потока /0 = 10-5 А*м-2. Комнатная температура

,-2

Из-за такого характера изменения РЭ ПИ со временем облучения после подстановки этой функции в дифференциальное уравнение (3.1) была получена совсем иного вида кривая зависимости напряженности поля от времени облучения (рисунок 3.19, кривая 1). Сначала напряженность поля возрастает, затем в районе 150 с времени облучения проходит через максимум, и затем постепенно убывает.

При температуре кипения жидкого азота аномалии РЭ, свойственной комнатной температуре, уже не наблюдается, как это видно из рисунка 3.18. Это типичная кривая РЭ со сдвинутым в сторону больших времен максимумом, что говорит о замедлении процесса переноса зарядов при низких температурах.

jrd, отн. ед.

0,240 0,235 0,230 0,225 Н 0,220

0,215 0,210 0,205 0,200

........i........!........

i

\ . ¡.;

i

"" !........

> \

! i

i i

i

: N

...... '......1....... 1

i i i : :

■ 1 -1- -'-i-'—r 1 l 1

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

t, С

Рисунок 3.18 - Экспериментальная кривая зависимости радиационной электропроводности пленки ПИ толщиной 25 мкм от времени облучения электронами 50 кэВ. Температура 103 К.

Отметим, что при температуре 103 К зависимость радиационной электропроводности ПИ от времени облучения получена впервые.

Соответствующая аппроксимационная кривая представлена на рисунке 3.19. После обработки её в программе Origin Lab, подстановки в выражение 3.1 и

решении дифференциального уравнения полученная кривая имеет вид как на рисунке 3.15 (кривая 2).

Рисунок 3.19 - Экспериментальная кривая радиационной проводимости ПИ от времени электронного облучения (1) - черная, и расчетная аппроксимационная

кривая (2) - синяя. Плотности потока /0 = 10"5 А^м-2. Температура 103 К.

Е, В.м"1

3,0x1 о7

1,0*107

5,0x106

0,0

---------1— —1—

—I—

2

у —I—

/ ---— --—. --- - 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Рисунок 3.20 - Зависимость Б({) для пленок ПИ при плотности потока электронов

¡0 = 10 А*м 1 - при комнатной температуре (оранжевая кривая), 2 - при температуре 103 К (синяя кривая). Пунктирная прямая красного цвета показывает уровень напряженности поля, при которой начинаются ЭСР

Анализ данных, представленных на рисунке 3.20, позволяет заключить, что как при комнатной, так и при азотной температуре (103 К) кривые зависимости напряженности электрического поля от времени облучения располагаются ниже критериальной пунктирной линии, соответствующей порогу возникновения ЭСР. Это свидетельствует о том, что полиимид демонстрирует наименьшую склонность к накоплению заряда по сравнению с другими исследуемыми материалами, что делает его наиболее предпочтительным в отношении минимизации электризации. Однако следует отметить, что максимум кривой при температуре 103 К находится в непосредственной близости от критериальной линии начала ЭСР. Это указывает на возможность возникновения разрядов в условиях, когда состав материала или некоторые характеристики незначительно изменятся. Данный факт требует особого внимания при проектировании КА и эксплуатации материалов в условиях

горячей околоземной плазмы, где возможно воздействие низких температур и облучения электронами высоких энергий. Таким образом, несмотря на общую низкую склонность ПИ к электризации, необходимо учитывать потенциальный риск возникновения ЭСР в экстремальных условиях околоземного пространства.

Таблица 3.3 - Сравнение результатов экспериментальных измерений и расчетов максимальной напряженности поля по предложенной модели (раздел 2.3) электризации полимерного диэлектрического слоя изоляции проводов на основе полиимида при плотности потока электронов /0 = 10-5 А хм-2

Метод Эксперимент Моделирование

Образец 1 Образец 2

Температура, К 298 103 298 103 298 103

Етах, В/м 2х106 1,7х107 1,35х106 1,35х107 1,6х106 1,6х107

Погрешность, % - — 32 21 20 6

ЭСР нет нет нет нет нет нет

В таблице 3.2 собраны полученные из эксперимента данные по максимальной напряженности поля в ПИ при комнатной и низкой температурах, а также результаты моделирования электризации проводов с изоляционным слоем на основе ПИ, которые представлены в главе 2.

Для комнатной температуры погрешности моделирования составляют 32 % для 1 образца и 20 % для 2 образца. Для температуры 103 К погрешности моделирования составляют 21 % для 1 образца и 6 % для 2 образца.

Таким образом, предложенная физико-математическая модель заряженного стационарного состояния радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры описывает поведение ПИ в отношении

возникновения ЭСР с усредненной погрешностью 19,75 % , что указывает на достаточную адекватность этой модели.

3.3.4 Изоляционный слой из полипропилена

Были проведены экспериментальные исследования радиационной электропроводности полипропилена при комнатной температуре и температуре кипения жидкого азота 103 К. Использовалась тот же материал, что составлял основу изоляционного слоя силового провода ГОСТ 31996-2012, моделирование заряжения которого исследовалось во второй главе.

Экспериментальная кривая зависимости РЭ пленки ПП от времени облучения, полученная при плотности потока электронов 3,18х10-4 А/м2 и комнатной температуре показана на рисунке 3.21. Кривая имеет вид, характерный для ПЭТФ и ПЭНП, но соответствующие значения РЭ по абсолютной величине ниже.

отн. ед. 0,30 -|

0,28 -

0,26 -

0,24 -

0,22 -

0,20 -

0,18 -

0,16 -

0,14 -

0,12 -

0 .10 -I—|—.—|—I—|—I—|—I—|—I—|—.—|—.—|—I—|—I—|—I—|

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

С

Рисунок 3.21 — Экспериментальная кривая зависимости радиационной электропроводности пленки ПП толщиной 20 мкм от времени облучения электронами 50 кэВ. Температура комнатная.

На рисунке 3.22 представлена экспериментальная кривая после процедуры сглаживания и аппроксимации полиномом пятой степени. Данная аппроксимированная зависимость была подставлена в дифференциальное уравнение (выражение 3.1), описывающее связь напряженности электрического поля с временем облучения. После численного интегрирования уравнения методом Рунге-Кутты была получена результирующая кривая, обозначенная как кривая 1 (оранжевый цвет) и представленная на рисунке 3.25. Для расчетов в качестве относительной диэлектрической постоянной е полимерного диэлектрика 1111 взято значение 2,2, а Л для ПП составляет 0,65. уг, Ом"1.м"1

1,0хЮ"12

ПП при 298К Аппроксимация

9,0x10

8,0x10

7,0x10

6,0хЮ"13

5,0хЮ'13

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

1, С

Рисунок 3.22 — Экспериментальная кривая радиационной проводимости ПП от времени электронного облучения (1) — черная, и расчетная аппроксимационная

кривая (2) — красная. Толщина пленки 20 мкм. Плотности потока ¡0 = 10 Ахм

Комнатная температура

2

Экспериментальная зависимость РЭ пленки ПП от времени облучения, полученная при плотности потока электронов 3,18*10-4 А/м2 и температуре 103 К, представлена на рисунке 3.23.

Заметим, что указанная зависимость получена впервые.

После проведения аппроксимации данных с использованием программного комплекса Origin Lab, зависимость приобрела вид кривой 1, изображенной на рисунке 3.24. На основе данной аппроксимированной кривой была рассчитана зависимость напряженности электрического поля в пленке ПП от времени облучения электронами при температуре 103 К. Результаты расчетов представлены на рисунке 3.25 в виде кривой 2, которая отражает динамику изменения напряженности электрического поля в исследуемом материале при указанных условиях.

jrd, отн. ед.

Т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

t, С

Рисунок 3.23 - Экспериментальная кривая зависимости радиационной электропроводности пленки ПП толщиной 12,5 мкм от времени облучения электронами 50 кэВ. Температура 103 К.

уг, Ом"1.м"1

-ПП при 103К -■ Аппроксимация

— ---------

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

1С

Рисунок 3.24 - Экспериментальная кривая радиационной проводимости 1111 от времени электронного облучения (1) - черная, и расчетная аппроксимационная кривая (2) - синяя. Плотности потока ¡0 = 10-5 А*м~2. Температура 103 К

Рисунок 3.25 — Зависимость Б({) для пленок ПП при плотности потока электронов

¡0 = 10-5 Ахм-2: 1 — при комнатной температуре (оранжевая кривая), 2 — при температуре 103 К (синяя кривая). Пунктирная прямая красного цвета показывает уровень напряженности поля. При которой начинаются ЭСР

Из представленных данных следует, что обе кривые зависимости напряженности электрического поля от времени облучения, как для комнатной температуры, так и для низкой (температуры 103 К, располагаются существенно выше критической линии, соответствующей началу возникновения ЭСР. Это указывает на высокую склонность ПП к накоплению заряда и низкую стойкость к радиационной электризации. Несмотря на то, что полипропилен является одним из наиболее легких полимеров, обладающих высокой химической стойкостью и отличными механическими характеристиками, его недостаточная устойчивость к радиационной электризации ограничивает его применение в условиях, где возможно воздействие ионизирующего излучения.

В таблице 3.4. собраны полученные из эксперимента данные по максимальной напряженности поля в ПП при комнатной и низкой температуре, а также результаты моделирования электризации проводов с изоляционным слоем на основе ПП, которые представлены в разделе 2.

Таблица 3.4 — Сравнение результатов экспериментальных измерений и расчетов максимальной напряженности поля по предложенной модели (раздел 2.3) электризации полимерного диэлектрического слоя изоляции проводов на основе полипропилена при плотности потока электронов ¡0 = 10-5 Ахм-2

Метод Эксперимент Моделирование

Образец 1 Образец 2

Температура, К 298 103 298 103 298 103

Етах, В/м 4х107 2х108 3х107 3х108 2,5х107 2,5х108

Погрешность, % — — 25 50 37 25

ЭСР да да да да да да

Для комнатной температуры погрешности моделирования составляют 25 % для 1 образца и 37 % для 2 образца. Для температуры 103 К погрешности моделирования составляют 50 % для 1 образца и 25 % для 2 образца.

Таким образом, предложенная физико-математическая модель заряженного стационарного состояния радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры описывает поведение ПП в отношении возникновения ЭСР с усредненной погрешностью 34,3 % , что указывает на достаточную адекватность этой модели.

3.4 Выводы по разделу

В соответствии с методиками, описанными в работах [100] для комнатной температуры и [101] для температуры кипения жидкого азота (103 К), проведены экспериментальные исследования зависимости РЭ от времени облучения для четырех полимеров: полиэтилентерефталат, полиэтилен низкого давления, полиимид и полипропилен.

Важно отметить, что впервые получены научные данные об объемной электризации указанных полимеров при температуре кипения жидкого азота (103 К), что расширяет понимание их поведения в экстремальных условиях околоземной горячей плазмы.

На основе экспериментальных зависимостей РЭ от времени облучения рассчитаны зависимости напряженности электрического поля в полимерах от времени облучения, а также определены максимальные значения напряженности поля. Полученные экспериментальные данные были сопоставлены с результатами

расчетов, выполненными по физико-математической модели заряженного стационарного состояния радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры, изложенной в разделе 2. Установлено, что усредненная погрешность между экспериментальными и расчетными значениями не превышает 35 %, что свидетельствует о достаточной адекватности предложенной модели.

Таким образом, предложенная модель корректно описывает поведение исследуемых полимеров в условиях радиационной электризации и позволяет прогнозировать возникновение ЭСР. Полученные результаты подтверждают целесообразность разработки инженерной методики, основанной на данной модели, для оценки других полимерных материалов, что может быть полезно для проектирования и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры КА в условиях воздействия ионизирующего излучения.

4 Инженерная методика выбора полимерного диэлектрического материала для слоя изоляции проводов космического применения

В учебно-исследовательской лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем МИЭМ НИУ ВШЭ уже продолжительное проводится работа по созданию инженерных методик, позволяющих делать обоснованный выбор диэлектрических материалов внешней поверхности космических аппаратов, а также диэлектрические материалы, используемые внутри космического аппарата, такие как пластиковые корпуса микроэлектронных устройств. Эти методики позволяют осуществлять выбор полимерных материалов, обеспечивающих защиту устройств от пагубного воздействия радиационной электризации. В частности, Д.А. Абрамешиным [100] разработана инженерная методика, позволяющая рассчитывать, как при комнатной температуре меняется со временем напряженность электрического поля в полимере при радиационном воздействии на него космической плазмы, и на этой основе осуществить выбор конкретного полимера, обеспечивающего отсутствие разрядов и работающего в этих условиях.

И.Р. Муллахметовым [101] были проведены экспериментальные исследования радиационной электропроводности ряда полимеров при низкой температуре порядка температуры жидкого азота и на этой основе была разработана инженерная методика, также позволяющая оценить величину возникающей напряженности электрического поля в образце полимера, но уже при этой низкой температуре. Что в свою очередь позволяет оценить будет происходить разряд, или не будет. Это зависит от того, достигнет эта величина напряжённости поля критического значения, при котором начинаются которым электрические разряды, или нет. Особенно важно для низких температур, т.к. при таких температурах сток накапливаемого в полимере заряда замедляется на один-два порядка, и вероятность возникновения ЭСР существенно возрастает.

Обе методики достаточно сложные, потому что требует полного расчёта изменения напряженности электрического поля со временем облучения. Как продолжение и развитие этих работ в направлении электризации проводов космического применения была разработана инженерная методика подбора их полимерного изоляционного слоя с использованием простого аналитического выражения, но в данном случае не учитываются изменения напряженности поля от времени облучения, а сразу находится величина максимальной напряженности поля, которая может возникнуть в образце при радиационной электризации. В таком случае можно просто сравнить эту величину со значением критической напряжённости поля, при которой начинаются ЭСР. Если она меньше критической, то разряды наблюдаться не будут. И наоборот, если она больше критической, то будут наблюдаться разряды, и данный материал не обеспечивает защиту от электризации, и надо искать другой.

Естественно, разработанная методика имеет более частный характер, и она относится только к выбору конкретного диэлектрического изоляционного материала, окружающего металлическую проводящую жилу. Но в условиях эксплуатации радиотехнических систем в космическом пространстве, кроме таких характеристик как диэлектрические свойства, механические свойства, термические свойства (стойкость к высоким и низким температурам), важно чтобы используемый диэлектрический материал ещё должен быть стоек к воздействию радиационной электризации, и обеспечить «безрарядный» характер эксплуатации.

Предложенная методика позволяет выяснить, будет наблюдаться вышеупомянутый «безрарядный» характер, или нет. Для этого необходимо в выражение для расчета величины максимальной напряженности электрического поля просто подставить величины внешнего радиуса провода и радиуса металлической жилы, а также величину радиационной электропроводности полимера изоляционного слоя провода. Последняя обеспечивает сток накапливающегося заряда на металлическую жилу. Таким образом, можно оценить будут происходить разряды или нет. Если все же не удаётся подобрать

такой материал, который в условиях эксплуатации не гарантирует отсутствие электростатических разрядов, то тогда необходимо применять более общие, но и более сложные методики.

4.1 Разработка инженерной методики выбора полимерной диэлектрической изоляции провода космического применения

В основе разработанной методики выбора полимерной диэлектрической изоляции проводов космического применения лежит полученное и рассмотренное во второй главе аналитическое выражение для величины максимальной напряженности электрического поля:

Р ___5о (3)

Ьтах _ 2-(у^+уг) ^ , ^

где Етах - напряженность электрического поля в облучаемом диэлектрическом слое

провода, В-м-1; £Ь - скорость инжекции электронов в объем диэлектрического слоя

провода А-м-3; Л1 - радиус токопроводящего цилиндра (металлическая жила

провода), м; Л2 - внешний радиус диэлектрической изоляции провода, м; у^ -

темновая проводимость полимера, ом-1 •м-1; уг - радиационная проводимость

полимера, ом-1 •м-1;. Это отрицательная величина, учитывая знак электрона. Она

рассчитывается согласно выражения (2) главы 2:

2/0

* _ 27

где К - фактор накопления мощности дозы, представляющий собой постоянную величину для каждого полимера; ¡0 - величин плотности потока электронов. Обычно выбирается плотность потока электронов ¡0 = 10-5 А/м2, характерная для условий геомагнитной суббури.

Ниже изложены основные этапы разработанной методики:

1. Выбирается образец провода космического применения для проведения расчётов для наихудшего сценария с точки зрения внутреннего заряжения КА на геосинхронной или высокоэллиптической орбите.

2. На основе предложенной физической модели, согласно аналитическому выражению (4.1), проводится расчёт максимального электрического поля внутри диэлектрического слоя образца.

3. Полученное значение для конкретного образца провода с установленным полимерным материалом сравнивается с критериальным значением равное Emax = 2*107 В/м. На этом этапе возможно сделать заключение об оправданности применения данного типа диэлектрического материала для использования в миссиях.

4. Если образец не обеспечивает достаточную защиту, т.е. не исключает возможность ЭСР, то выполняется подборка подходящие параметров образца провода с данным полимерным материалом (выбираются параметры R1 и R2), с целью снижения максимальной величины электрического поля.

5. Если проведенная подборка не обеспечивает достаточную защиту на следующем этапе выбирается другой изоляционный материал, как «лучший» аналог, с точки зрения отсутствия ЭСР (с лучшими параметрами радиационной и темновой электропроводности), подходящие под критерии выбора с помощью этой же методики.

6. На данном этапе предлагаются полные рекомендации по возможным решениям для выбранного образца. Т.е. решение, при котором, аналогичный провод космического применения подойдет для применения на геостационарной или высокоэллиптических орбитах.

7. Если же изначально, выбранный образец проходил третий этап с положительным результатом то принимается заключение о правильном выборе провода с точки зрения отсутствия возможности возникновения ЭСР при эксплуатации на геостационарной и высокоэллиптических орбитах.

8. Если все же при первой попытке не удается подобрать полимерный диэлектрический материал для слоя изоляции проводов космического применения

для заданных условий миссии КА, то необходимо использовать более сложные инженерные методики, предложенные Д.А. Абрамешиным [100] и И.Р. Муллахметовым [101].

На рисунке 4.1 представлен алгоритм разработанной инженерной методики. Преимуществом разработанной методики является отсутствие сложных и ресурсоёмких численных расчетов.

Рисунок 4.1. Блок-схема алгоритма инженерной методики выбора полимерного диэлектрического материала для слоя изоляции проводов космического применения в целях исключения физической возможности ЭСР

4.2 Разработка программы для сбора и последующей верификации экспериментальных данных по электризуемости полимерных диэлектриков

космической техники

Разработана программа, предназначенная для автоматизации процесса сбора, обработки и анализа экспериментальных данных, связанных с исследованием электризуемости полимерных диэлектриков, используемых в космической технике. Фактически это автоматизация проведения расчетов с использованием экспериментальных данных и разработанной инженерной методики непосредственно на рабочем месте, как при дополнительных исследований, так и для инженерных расчетов для подбора и анализа выбранного образца из существующей базы для планируемой полетной миссии.

Разработанное программное обеспечение и заложенные в нее методики по своей функциональности схожи с расчетными программами моделирования воздействия ионизированного излучения на элементы КА. Например, NUMIT [81] и DICTAT [77], которые предназначены для расчёта радиационных эффектов, воздействующих на элементы КА, в том числе для цилиндрических геометрий (проводов и кабелей КА). В отличие от последних программных продуктов, разработанная программа для расчета на основе предлагаемой инженерной методики позволяет оценивать возможность возникновения ЭСР в конкретном типе провода с полимерной диэлектрической изоляцией без проведения сложных и ресурсоёмких численных расчетов (так как моделирование с помощью метода Монте-Карло), и поэтому удобна при проектировании КА.

Ниже описан алгоритм работы программы: 1. Сбор экспериментальных данных (при проведении дополнительных экспериментов). Программа взаимодействует с измерительным оборудованием, регистрирующим параметры радиационной электризации полимерных диэлектриков. Ключевые данные, которые собираются: зависимость радиационной электропроводности (РЭ) от времени облучения; температурные условия (включая

криогенные температуры); плотность потока электронов и другие параметры. Данные поступают в программу в реальном времени или загружаются из файлов, сформированных в ходе экспериментов.

2. Предварительная обработка данных. Программа выполняет предварительную обработку сырых экспериментальных данных, включая: сглаживание кривых для устранения шумов и выбросов; Аппроксимацию данных (например, полиномами пятой степени) для получения аналитического представления зависимостей.

3. Верификация данных. Программа проводит верификацию экспериментальных данных путем сравнения с теоретическими моделями, такими как разработанная модель для электризации полимерного диэлектрического слоя провода космического применения и дополненная модель Роуза-Фаулера-Вайсберга согласно работе И.Р. Муллахметова [101]. Верификация включает: Сравнение экспериментальных и расчетных кривых. Оценку погрешности. Выявление аномалий или несоответствий в данных.

4. Анализ и визуализация результатов. Программа предоставляет инструменты для анализа и визуализации результатов: построение графиков зависимостей (например, РЭ от времени облучения, напряженности поля от времен; отображение критических линий, таких как порог возникновения ЭСР, генерация отчетов с ключевыми параметрами и выводами по электризуемости того или иного диэлектрика в заданных условиях (обычно в сценарии «наихудшего случая»).

5. Практическое применение. Программа выдает рекомендации для оптимизации выбора материалов для космической техники, а также позволяет внедрить непосредственно на производстве вышеописанные инженерные методики по оценке радиационной стойкости полимеров для повышения надежности радиоэлектронной аппаратуры в условиях космического излучения.

Таким образом, программа представляет собой важный инструмент для исследований в области радиационной электризации полимерных диэлектриков,

сочетающий в себе функции сбора данных, их верификации и анализа, что делает ее незаменимой для разработчиков космической техники.

Планируется доработка возможностей программы для работы с существующими мировыми стандартами и стандартами ГОСТ для проводов, а также добавление новых материалов полимерной изоляции проводов и кабелей космического применения.

4.3 Практическая реализация инженерной методики выбора полимерной диэлектрической изоляции провода космического применения

За время обучения по теме диссертационного исследования была выполнена научно-исследовательская работа «Цифровая технология получения и последующей верификации экспериментальных данных по электризуемости полимерных диэлектриков космической техники», которая стала победителем конкурса исследовательских проектов в рамках стратегического проекта «Цифровая трансформация: технологии , эффекты, эффективность», реализуемого в рамках программы развития федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики » на 2021-2030 гг., победившей в конкурсе программ стратегического академического лидерства «Приоритет-2030». Копия приложения акта заседания Управляющего комитета Стратегического проекта «Цифровая трансформация: технологии, эффекты, эффективность» от 19 сентября 2022 г. представлен в приложении Г.

Целью данной исследовательской работы было повышение устойчивости космических аппаратов к эффектам электризации путем исследования и экспериментального моделирования воздействия околоземной плазмы на полимеры космического применения, а также, разработка на этой основе инженерных методик по подбору полимеров для космического применения.

Именно в рамках этой научной работы и была впервые предложена наша инженерная методика выбора полимерной диэлектрической изоляции проводов космического применения.

Результаты научно-исследовательской работы «Цифровая технология получения и последующей верификации экспериментальных данных по электризуемости полимерных диэлектриков космической техники» были успешно внедрены в деятельность Учебно-исследовательской лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем МИЭМ НИУ ВШЭ. Акт о внедрении представлен в приложении Д.

Реализация и внедрение разработанного программного обеспечения позволило значительно повысить эффективность исследований и расширить возможности лаборатории в области изучения полимерных материалов космического применения.

Основные направления реализации и внедрения:

1. Автоматизация экспериментальных исследований: разработанное программное обеспечение для обработки и верификации данных радиационной электропроводности полимеров интегрировано в работу установки ЭЛА-50/5. Это позволило сократить время обработки результатов, минимизировать влияние человеческого фактора и повысить точность измерений. Теперь лаборатория может оперативно получать и анализировать данные, что особенно важно при исследовании новых материалов.

2. Цифровые методики подбора материалов: на основе экспериментальных данных созданы цифровые инструменты, которые позволяют моделировать поведение полимерных материалов в условиях, приближенных к околоземной плазме. Эти методики используются для прогнозирования устойчивости материалов к электростатическим разрядам, что критически важно при проектировании космических аппаратов.

3. Обучение и научная деятельность: разработки активно применяются в образовательном процессе: студенты и аспиранты используют программное обеспечение и методики для выполнения курсовых, дипломных и научных работ.

Это способствует подготовке высококвалифицированных специалистов в области космического материаловедения и функциональной безопасности.

4. Регистрация результатов интеллектуальной деятельности (РИД): совместно с И.Р Муллахметовым было получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023661020 - «Программа для сбора и последующей верификации экспериментальных данных по электризуемости полимерных диэлектриков космической' техники» (приложение В), куда включен алгоритм которой описан в предыдущем разделе. Это также открывает возможности для дальнейшего сотрудничества с промышленными партнерами и коммерциализации разработок.

Внедренные технологии стали основой для новых исследований и проектов лаборатории. Планируется дальнейшее расширение функционала программного обеспечения, включение в базу данных новых полимерных материалов. Это позволит УИЛ ФБКАиС повышать качество исследований в области электризации полимерных диэлектриков и способствовать развитию отечественной космической отрасли.

4.4 Выводы по разделу

Разработана инженерная методика, позволяющая еще на стадии проектирования КА оценить провода космического применения для миссий на геостационарной или высокоэллиптической орбитах Земли на предмет физической возможности ЭСР типа «изоляция» - «токопроводящая жила», и дающая возможность подобрать диэлектрическую полимерную изоляцию провода с соответствующей темновой и радиационной проводимостью, которые обеспечивают «безразрядный» характер его эксплуатации.

Критериальным значением является величина электрического поля Ртах = 2*107 В/м, что является актуальным значением, полученных в ходе

измерений на геостационарной и высокоэллиптической орбитах. При появлении новых данных есть возможность внести изменения в методику для того, чтобы она оставалась актуальной и адекватной для реального применения при расчете напряженности поля в диэлектрическом слое проводов космического применения.

Разработана программа для ЭВМ, предназначенная для автоматизации процессов сбора, обработки и анализа экспериментальных данных, связанных с исследованием электризуемости полимерных диэлектриков, используемых в космической технике, и обеспечивающей полную автоматизацию процесса расчетов по предложенной инженерной методике.

Разработана физико-математическая модель заряженного стационарного состояния при радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры космического применения, отличающаяся от известных тем, что позволяет в стационарном режиме аналитически оценивать возможность возникновения ЭСР в конкретном типе провода с полимерной диэлектрической изоляцией без проведения сложных и ресурсоёмких численных расчетов. Считается, что диэлектрического слой имеет цилиндрическую форму, а инжекция электронов из космической плазмы носит равномерный характер (равномерная скорость инжекции).

Модель не дает возможности видеть уровень электризации в каждый момент времени, но дает величину максимальной напряженности электрического поля, которая возникает в результате электризации в данном диэлектрике при данной температуре. При сопоставлении этой величины с критериальным значением напряженности поля, при которой происходит разряд, можно сделать принципиальный вывод о том, будут ли происходить электростатические разряды из диэлектрика на металлическую жилу в результате накопления в нем заряда, или нет.

С использованием разработанной методики выполнено компьютерное моделирование электризации радиочастотных, бортовых, силовых проводов с изоляционными слоями из полиэтилентерефталата, полиэтилена низкой плотности, полиимида, политетрафторэтилена, поливинилхлорида, полипропилена при двух температурных режимах: комнатной температуре и температуре кипения жидкого азота 103 К. Моделирование проводилась для «наихудшего случая» - протекания геомагнитной суббури с плотностью потока электронов 10-5 А/м2.

Результаты моделирования показали:

1. При комнатной температуре монтажные провода с изоляционным слоем из ПЭТФ, ПЭНП и ПИ имеют максимальную напряженность поля ниже

критериальной величины напряженности поля и обеспечивают безразрядный характер функционирования.

2. При низких температурах (температура кипения жидкого азота) провода с изоляционным слоем из ПЭТФ, ПЭНП имеют максимальные напряженности поля, превышающие эту критическую величину, и только изоляция из ПИ обеспечивает отсутствие ЭСР. Это не означает, что они не могут быть использованы в космической технике. В этом случае необходимо их использовать в терморегулируемых системах КА, или применять внешние полимерные оболочки, а также металлические экраны, защищающие от воздействия ускоренных электронов космической плазмы.

3. У остальных полимерных изоляционных слоев даже при комнатной температуре максимальные напряженности поля во многих случаях превышают критическую величину напряженности поля, при которой начинаются разряды. Но практически у всех исследованных полимеров, применяемых в качестве изоляционного слоя проводов, при некоторых значениях радиуса металлической жилы Я1 и внешнего радиуса провода Я2 и определенных их соотношениях величины максимальной напряженности поле меньше критической.

Проведены экспериментальные исследования электризации полимерной диэлектрической изоляции проводов на основе полиэтилентерефталата, полиэтилена низкой плотности, полиимида и полипропилена при комнатной температуре и температуре кипения жидкого азота (103 К). Выявлены зависимости их радиационной электропроводности от времени облучения. При этом РЭ вышеперечисленных полимеров при температуре 103 К получены впервые.

Используя полученные данные рассчитана зависимость напряженности электрического поля в полимере от времени облучения и определены максимальные значения напряженности поля. Проведено сравнение этих полученных из экспериментов значений с величинами, рассчитанными по предложенной физико-математической модели заряженного стационарного состояния радиационной электризации изоляции проводов и кабелей радиоэлектронной аппаратуры. Показано, что усредненная погрешность не

превышала 25 % и предложенная модель адекватно описывает поведение указанных полимеров в отношении возникновения ЭСР.

Разработана инженерная методика, позволяющая еще на стадии проектирования КА оценить провода космического применения для миссий на геостационарной или высокоэллиптической орбитах Земли на предмет физической возможности ЭСР типа «изоляция» - «токопроводящая жила», и дающая возможность подобрать диэлектрическую полимерную изоляцию провода с соответствующей темновой и радиационной проводимостью, которые обеспечивают «безразрядный» характер его эксплуатации.

Критериальным значением является величина электрического поля Бтах = 2*107 В/м, что является актуальным значением, полученных в ходе измерений на геостационарной и высокоэллиптической орбитах. При появлении новых данных есть возможность внести изменения в методику для того, чтобы она оставалась актуальной и адекватной для реального применения при расчете напряженности поля в диэлектрическом слое проводов космического применения.

Разработан алгоритм программы, предназначенной для автоматизации процессов сбора, обработки и анализа экспериментальных данных, связанных с исследованием электризуемости полимерных диэлектриков, используемых в космической технике, и обеспечивающей полную автоматизацию процесса расчетов по предложенной инженерной методике.

Планируется доработка возможностей программы для работы с существующими мировыми стандартами и стандартами ГОСТ для проводов, а также добавление новых материалов полимерной изоляции проводов и кабелей космического применения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. DeForest S.E. Spacecraft charging at synchronous orbit // Journal of Geophysical Research. — 1972. — Vol. 77, No. 4. — P. 651-659.

2. Whipple E.C. Potentials of surfaces in space // Reports on Progress in Physics. 1981. — Vol. 44. — P. 1197-1250.

3. Акишин А.И., Новиков Л.С. Физические процессы на поверхности искусственных спутников Земли. — М.: Изд-во МГУ, 1987. —89 с.

4. Purvis C.K. et al. Design guidelines for assessing and controlling spacecraft charging effects. — 1984 — NASA TP-2361.

5. Чернявский Г.М., Графодатский О.С., Козлов А.Г. Анализ сбоев бортовой радиоэлектронной аппаратуры геостационарных спутников связи. — М.: ЦНТИ «Поиск», СИП, 1981. — Сер. 1, № 12.

6. Акишин А.И., Новиков Л.С. Влияние неоднородностей конструкции на электризацию КА // Космические исследования. — 1990. — Т. 28, № 5. — С. 743752.

7. Frederickson A.R. Internal charging in spacecraft dielectrics // IEEE Transactions on Nuclear Science. — 1996. — Vol. 43, No. 2. — P. 343-352.

8. Olsen R.C. A review of plasma conditions on LEO and GEO orbits // IEEE Transactions on Plasma Science. — 1983. — Vol. 11, No. 3. — P. 218-226.

9. Панасюк М.И., Новиков Л.С. Модель космоса: в 2 т. Т. 2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / Под ред. М.И. Панасюка. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Книжный дом «Университет», 2007. — 872 с.

10. Гончар Ю.И., Караш Ю.Ю. Спутники связи «Молния»: история и технологии // Космическая техника и технологии. — 2010. — № 2(5). — С. 45-53.

11. Новиков Л.С. и др. Исследования электризации на высокоэллиптических орбитах: данные КА «Молния-1» // Космические исследования. — 1978. — Т. 16, № 4. — С. 612-620.

12. Милеев В.Н., Телин С.А. Радиационные условия на орбитах типа «Молния» // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 3. — С. 34-41.

13. Garret H.B., Schwank D.C., De Forest S.E. A statistical analysis of the low-energy geosynchronous plasma environment. I. Electrons // Planet. Sp. Sci. — 1981. — Vol. 29, No. 10. — P. 1021-1044.

14. Garret H.B., Schwank D.C., De Forest S.E. A statistical analysis of the low-energy geosynchronous plasma environment. 2. Ions // Ibid. — 1981. — P. 1045-1060.

15. Heckman G.R., Speich D., Hirman J.W., Defoor T. NOAA Space Environment Center mission and the GOES space environment monitoring subsystem // Optics & Photonics. — 1996.

16. Fraser B.J., Halford A.J. Electromagnetic ion cyclotron waves and geomagnetic storms: GOES and CRRES observations // 2011 XXXth URSI General Assembly and Scientific Symposium. — Istanbul, Turkey, 2011. — P. 1-1.

17. NASA-Technical Handbook: Mitigating in-Space Charging Effects — A Guideline. — Rec. NASA-HDBK-4002B. 2022. — 209 p.

18. Soria-Santacruz M. Introductory Tutorial // Spacecraft Charging Technology Conference. — Pasadena (USA): SCTC, 2014. — Paper 254.

19. Hilgers A., Rodgers D., Payan D. Spacecraft Charging European overview // Spacecraft Charging Technology Conference. — Pasadena (USA): SCTC, 2014. — Paper 239.

20. Gupta S.B. et al. An update of spacecraft charging research in India: Spacecraft Plasma Interaction experiments — SPIX -II // Spacecraft Charging Technology Conference. — Pasadena (USA): SCTC, 2014. — Paper 237.

21. Koons H.C. et al. The impact of the space environment on space systems. —

1999.

22. Tafazoli S. A study of on-orbit spacecraft failures // Acta Astronautica. — 2009. — Vol. 64. — P. 195-205.

23. Иванов Г.П. Исследование радиационной стойкости аппаратуры КА «Горизонт» в условиях геостационарной орбиты // Вопросы атомной науки и техники. — 2016. — № 4. — С. 33-39.

24. Кузнецов Е.Н. Спутниковая система «Электро»: мониторинг климата Земли // Метеорология и гидрология. — 2019. — № 7. — С. 22-30.

25. Ganushkina N.Yu. et al. Worst-Case Severe Environments for Surface Charging Observed at LANL Satellites as Dependent on Solar Wind and Geomagnetic Conditions // Space Weather. — 2021. — Vol. 19.

26. Liu W. et al. Observation and modeling of the injection observed by THEMIS and LANL satellites during the 23 March 2007 substorm event // Journal of Geophysical Research. — 2009. — Vol. 114.

27. Fox N.J., Burch J.L. (eds.) The Van Allen Probes Mission. New York: Springer, 2014. 647 p.

28. Funsten H.O. et al. Helium, Oxygen, Proton, and Electron (HOPE) Mass Spectrometer for the Radiation Belt Storm Probes Mission // Space Science Reviews. — 2013. — Vol. 179, No. 1-4. — P. 423-484.

29. Blake J.B. et al. The Magnetic Electron Ion Spectrometer (MagEIS) Instruments Aboard the Radiation Belt Storm Probes (RBSP) Spacecraft // Space Science Reviews. — 2013. — Vol. 179, No. 1-4. — P. 383-421.

30. Baker D.N. et al. The Relativistic Electron-Proton Telescope (REPT) Instrument on Board the Radiation Belt Storm Probes (RBSP) Spacecraft: Characterization of Earth's Radiation Belt High-Energy Particle Populations // Space Science Reviews. 2013. — Vol. 179, No. 1-4. — P. 337-381.

31. Новиков Л.С., Милеев В.Н. Влияние низких температур на электрофизические свойства полимерных диэлектриков в космических условиях // Космические исследования. — 2018. — Т. 56, № 4. — С. 312-320.

32. Garret H.B. et al. Long-term vacuum exposure effects on dielectric materials: Data from CRESS mission // Journal of Spacecraft and Rockets. — 2015. — Vol. 52, No. 3. — P. 780-789.

33. Акишин А.И. и др. Радиационная стойкость диэлектриков в условиях магнитосферы Земли // Вопросы атомной науки и техники. — 2020. — № 2. — С. 45-52.

34. Акишин А.И., Новиков Л.С., Милеев В.Н. Влияние облучения электронами на диэлектрические материалы космических аппаратов // Космические исследования. — 2015. — Т. 53, № 4. — С. 312-320.

35. Krupnikov K.K. et al. Charging Effects in Geostationary Satellites: CRRES Mission Data Analysis // IEEE Transactions on Plasma Science. — 2017. — Vol. 45, No. 8. — P. 2105-2112.

36. Baker D.N. et al. Enhanced Sensitivity of Spacecraft Electronics to Low-Flux Electron Environments // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2020. — Vol. 125, Iss. 8.

37. Garrett H.B., Rodriguez M., Evans R.W. Relativistic electron fluxes and dielectric charging // Space Weather. — 2018. — Vol. 16, Iss. 6. — P. 634-648.

38. Adamec V., Calderwood J.H. Charge transport in irradiated dielectrics // Journal of Applied Physics. — 2020. — Vol. 128, No 21. — Art. 214901.

39. Olsen R.C. A review of plasma conditions on LEO and GEO orbits // IEEE Transactions on Plasma Science. — 1983. — Vol. 11, No 3. — P. 218-226.

40. Weber J. Penetration of electrons in matter: A new approximation formula // Journal of Applied Physics. — 1964. — Vol. 35, No. 4. — P. 1282-1284.

41. Trenkel C. Monte Carlo simulation of electron transport in solids: Comparison of ITS and GEANT codes // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. — 1993. — Vol. 79, No. 1-4. — P. 77-81.

42. Sorensen H. Electron beam penetration and energy deposition: A revised approach // Radiation Physics and Chemistry. — 1996. — Vol. 47, No. 2. — P. 237-245.

43. Zhang Y. et al. Smart monitoring systems for spacecraft cable insulation // Acta Astronautica. — 2023. — Vol. 202. — P. 215-224.

44. Lucci N. et al. Advanced diagnostic methods for dielectric charging // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2022. — Vol. 29, No. 4. — P. 1345-1352.

45. Adamec V. Three-dimensional charge distribution modeling in spacecraft cables // Journal of Electrostatics. — 2022. — Vol. 115. — Art. 103657.

46. Reagan J.B. et al. Space Charging Currents and Their Effects on Spacecraft Systems // IEEE Transactions on Electrical Insulation. — 1983. — Vol. 18, No. 3. — P. 354-365.

47. Hirai, T. Re-examination of electrical failure risk on satellite's power harnesses caused by space debris impacts: simultaneous measurements of sustained discharge and plasma density / T. Hirai, M. Higashidea, H. Kurosakia, S. Kawakitab, S. Hasegawac, Yu. Mandod, Sh. Yamaguchie, K. Tanaka. // Procedia Engineering —

2017.Vol. 204 — P. 445-451.

48. Акишин А.И., Новиков Л.С. Современные проблемы электризации кабельных систем космических аппаратов // Космическая техника и технологии. —

2018. — № 4(23). — С. 34-45.

49. Gomes J.V. et al. Secondary electron emission from polymer surfaces under electron irradiation // Journal of Physics D: Applied Physics. — 2004. — Vol. 37 — P. 2488-2495.

50. Garrett H.B. The effects of space radiation on cable insulation: CRRES and SCATHA data analysis // Journal of Spacecraft and Rockets. — 1995. — Vol. 32, No. 3. — P. 475-481.

51. Roussel J.-F. et al. Internal charging measurements in geostationary orbit: SCATHA results // IEEE Transactions on Plasma Science. — 2006. — Vol. 34, No. 5. — P. 2114-2121.

52. Милеев В.Н., Телин С.А. Релаксация объемного заряда в полимерных диэлектриках космического применения // Вопросы атомной науки и техники. — 2017. — № 5. — С. 112-119.

53. Koons H.C. et al. The impact of spacecraft miniaturization on charging effects // Space Weather. — 2019. — Vol. 17. — P. 887-896.

54. Андреев С.С. и др. Радиационная стойкость новых полимерных материалов для космических применений // Высокомолекулярные соединения. Серия А. — 2020. — Т. 62, № 3. — С. 215-224.

55. Smith K.A. et al. Carbon nanotube composites for spacecraft charging mitigation // Composites Science and Technology. — 2021. — Vol. 207. — Art. 108697.

56. Wang L. Gradient conductivity materials for space charge dissipation // Advanced Materials. — 2018. — Vol. 30, No. 25. — Art. 1800657.

57. Орлов А.В. и др. Автоэмиссионные системы нейтрализации заряда на космических аппаратах // Письма в ЖТФ. — 2022. — Т. 48, вып. 3 — С. 45-51.

58. Lan L. et al. Effect of temperature on space charge trapping and conduction in cross-linked polyethylene // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2014. — Vol. 21, No. 4. — P. 1784-1791.

59. Chen C. et al. Space Charge Characteristics for XLPE Coaxial Cable Insulation Under Electrothermal Accelerated Aging // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2022. — Vol. 29, No. 2. P. — 727-736.

60. Rosle N. et al. Partial Discharges Classification Methods in XLPE Cable: A Review // IEEE Access. — 2021. — Vol. 9. — P. 133258-133273.

61. Said A. et al. Enhancing the electrical and physical nature of high-voltage XLPE cable dielectric using different nanoparticles // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. — 2022. — Vol. 33. P. — 7435-7443.

62. Jeroense M.J.P., Morshuis P.H.F. Electric fields in HVDC paper-insulated cables // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 1998. — Vol. 5, No. 2. — P. 225-236.

63. Vu T.T.N. et al. Correlating conductivity and space charge measurements in multi-dielectrics under various electrical and thermal stresses // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2015. — Vol. 22, No. 1. — P. 117-127.

64. Morshuis P.H.F. et al. Calculation and Measurement of Space Charge in MV-size Extruded Cables Systems under Load Conditions // 2007 IEEE International Conference on Solid Dielectrics. — Winchester, UK, 2007. — P. 502-505.

65. Vu T.T.N. et al. Field distribution in polymeric MV-HVDC model cable under temperature gradient // European Journal of Electrical Engineering. — 2014. — Vol. 17, No. 5-6. — P. 307-325.

66. Wang J. et al. The Space Charge Characteristic of Cross-Linking Polyethylene Insulation of High Voltage DC Cables on Different Voltage Levels Under Temperature Gradient // The Proceedings of the 17th Annual Conference of China Electrotechnical Society. — 2023. — Vol. 1013. — P. 138c.

67. Roy S.L. et al. Description of charge transport in polyethylene using a fluid model with a constant mobility: fitting model and experiments // Journal of Physics D: Applied Physics. — 2006. — Vol. 39. — P. 1427-1436.

68. Matsui K. et al. Numerical analysis of packet-like charge behavior in low-density polyethylene under DC high electric field // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2008. — Vol. 15, No. 3. — P. 841-850.

69. Wang Y. et al. Simulation of Space Charge Distribution in the Insulation Layer of XLPE HVDC Cable under Different Temperatures // 2020 International Symposium on Electrical Insulating Materials. — Tokyo, Japan, 2020. — P. 143-146.

70. Roy S.L. et al. Modelling space charge in a cable geometry // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2016. — Vol. 23, No. 4. — P. 2361-2367.

71. Baferani M.A. et al. High Temperature Insulation Materials for DC Cable Insulation — Part I: Space Charge and Conduction // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2021. — Vol. 28, No. 1. — P. 223-230.

72. Shahsavarian T. et al. High Temperature Insulation Materials for DC Cable Insulation — Part II: Partial Discharge Behavior at Elevated Altitudes // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2021. — Vol. 28, No. 1. — P. 231-239.

73. Li C. et al. High Temperature Insulation Materials for DC Cable Insulation — Part III: Degradation and Surface Breakdown // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2021. — Vol. 28, No. 1. — P. 240-247.

74. Tanaka Y. et al. Space Charge Accumulation Properties in Various Insulating Materials under DC High Electric Field at High Temperature // 2019 2nd International Conference on Electrical Materials and Power Equipment. — Guangzhou, China, 2019. — P. 22-30.

75. Du B.X. et al. Effect of voltage stabilizers on the space charge behavior of XLPE for HVDC cable application // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2019. — Vol. 26, No. 1. — P. 34-42.

76. Fabiani D. et al. HVDC Cable Design and Space Charge Accumulation. Part 3: Effect of Temperature Gradient // IEEE Electrical Insulation Magazine. — 2008. — Vol. 24, No. 2. — P. 5-14.

77. Chen X. et al. Effect of voltage reversal on space charge and transient field in LDPE films under temperature gradient // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2012. — Vol. 19, No. 1. — P. 140-149.

78. Ryden K.A. et al. Internal Charging Measurements in Medium Earth Orbit Using the SURF Sensor: 2005-2014 // IEEE Transactions on Plasma Science. — 2015. — Vol. 43, No. 9. — P. 3014-3020.

79. Rong-Hui Q. et al. Phenomenon of deep charging in polymer under electron beam irradiation. — 2009.

80. Pacaud R. et al. Study of internal charging of four commonly used polymers through experimental and numerical analysis // Journal of Applied Physics. — 2019.

81. Sorensen J. et al. ESA's tools for internal charging // IEEE Transactions on Nuclear Science. — 2000. — Vol. 47, No. 3. — P. 491-497.

82. ESA Technical Report. DICTAT 3.2 Validation. ESA-STR-256. — 2022. —

67 p.

83. GEANT4 Collaboration. GEANT4 for Space Applications. CERN Technical Note. — 2023. — 54 p.

84. Jun I. et al. Review of an Internal Charging Code, NUMIT // IEEE Transactions on Plasma Science. — 2008. — Vol. 36. — P. 2467-2472.

85. Levy L. 3D NUMIT implementation for spacecraft design // IEEE Transactions on Nuclear Science. — 2021. — Vol. 68, No. 8. — P. 1876-1883.

86. Beecken B.P. et al. Application of AF-NUMIT2 to the Modeling of Deep-Dielectric Spacecraft Charging in the Space Environment // IEEE Transactions on Plasma Science. — 2015. — Vol. 43. — P. 2817-2827.

87. COMSOL AB. Multiphysics Simulation of Space Charging. COMSOL Technical Paper. — 2023. — 28 p.

88. Kim W. et al. 3-D NUMIT: A General 3-D Internal Charging Code // IEEE Transactions on Plasma Science. — 2017. — Vol. 45. — P. 2298-2302.

89. Lei F. et al. MULASSIS: a Geant4-based multilayered shielding simulation tool // IEEE Transactions on Nuclear Science. — 2002. — Vol. 49. — P. 2788-2793.

90. D. J., Richard H.D. ESA's Space ENVironment Information System (SPENVIS): a Web-Based Tool for Assessing Radiation Doses and Effects in Spacecraft Systems. — 2019.

91. Ziegler J.F. et al. SRIM — The stopping and range of ions in matter (2010) // Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section B. — 2010. — Vol. 268. — P. 1818-1823.

92. Zhang Y. Aging of spacecraft cable insulation // Polymer Degradation and Stability. — 2023. — Vol. 208. — Art. 110265.

93. ASTM International. E2952-23 Standard for Space Materials Testing. — 2023. — 24 p.

94. Mikaelian A.L. Combined radiation effects on spacecraft materials // Radiation Physics and Chemistry. — 2023. — Vol. 204. — Art. 110701.

95. Кузнецов В.Г. Валидация моделей для новых композитных диэлектриков // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. — 2023. — № 2(143). — С. 78-92.

96. Bourdarie S. Radiation-induced conductivity models for space applications // IEEE Transactions on Nuclear Science. — 2022. — Vol. 69, No. 6. — P. 1245-1253.

97. ISO 11221:2023 Space systems - Space environment - Simulation guidelines for materials testing. — 2023. — 46 p.

98. Fowler J. F. Radiation-induced conductivity in insulating materials // Proc. R. Soc. Lond. A. — 1956. — Vol. 236. — P. 464-480.

99. Иванов В. С. Радиационная химия полимеров. — Л. : Химия, 1988. — 264

с.

100. Blaise G., Le Gressus C. Charging and flashover induced by surface polarization relaxation // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. — 1991. — Vol. 26, № 4. — P. 694-700.

101. Кудрявцев Ю. А., Сидоров А. В. Электризация диэлектриков в космических условиях. — М.: Энергоатомиздат, 2003. — 198 с.

102. Fowler J. F., Farmer F. T. Conductivity induced in insulators by X-rays // Nature. — 1953. — Vol. 171. — P. 1020-1021.

103. Rose A. Space-charge-limited currents in solids // Phys. Rev. — 1955. — Vol. 97, № 6. — P. 1538-1544.

104. Tyutnev A. P., Saenko V. S., Pozhidaev E. D. Radiation-induced conductivity in polymers // Polym.

105. Griscom D. L. Electron spin resonance studies of radiation damage in polymers // J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed. — 1980. — Vol. 18, № 5. — P. 889-906.

106. Böhm S., Kessler M. R. Time-dependent radiation-induced conductivity in epoxy composites // J. Appl. Phys. — 2017. — Vol. 121, № 12. — P. 103-125.

107. Кузнецов Н. П., Григорьев Е. В. Радиационные эффекты в полимерах: временные зависимости. — М.: Химия, 2020. — 210 с.

108. Кузнецов А. А., Смирнов Л. Н. Радиационные эффекты в полимерных композитах. — М.: Физматлит, 2015. — 312 с.

109. Муллахметов И.Р., Саенко В.С., Тютнев А.П., Пожидаев Е.Д. «Низкотемпературная радиационная электропроводность полистирола под действием электронов низких энергий» в журнале «Журнал технической физики». 2023. Т. 93. № 1. С. 130-134;

110. Tyutnev A.P, Saenko V.S., Mullakhmetov I.R., Pozhidaev E.D. «Experimental and theoretical investigations of the radiation-induced conductivity in spacecraft polymers at extremely low temperatures» в журнале «Journal of Applied Physics». 2023. Vol. 134. № 9. Article 095903

111. Saenko V.S. et al. Spacecraft Internal Charging Simulation of the Electronics Device Plastic Cases // IEEE Transactions on Plasma Science. 2019. Vol. 47, No. 8. P. 3648-3652. DOI: 10.1109/TPS.2019.2893186.