Диссертация (Исследование помехозащищенности электрических жгутов электротехнических комплексов летательных аппаратов при воздействии мощных электромагнитных помех)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«Московский авиационный институт»(национальный исследовательский университет) МАИНа правах рукописиКлыков Антон Владимирович«ИССЛЕДОВАНИЕ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХЖГУТОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХАППАРАТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХПОМЕХ»05.09.03 – Электротехнические комплексы и системыДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительПрофессор, д.т.н.Москва, 2016 г.В.Ю.

Кириллов2ОГЛАВЛЕНИЕВведение……………………………………………………..................................4Глава 1. Воздействие МЭМП на ЛА…………………………………………….101.1.Пути проникновения МЭМП в конструкцию ЛА и электрические жгутыЭТК ЛА..………………….................................................................................101.2.Воздействие МЭМП на элементы и устройства ЭТК ЛА……......................21Глава 2. Методика расчета уровней МЭМП во внутреннем пространствеконструкции ЛА.…………………………………………………....................252.1 Коэффициент экранирования конструкции ЛА при воздействии излучаемых МЭМП…….…………..…………………..................................................252.2 Методика расчета уровней МЭМП во внутреннем пространстве конструкции ЛА при воздействии излучаемых МЭМП…………………….......Глава 3.

Модели воздействия МЭМП на электрические жгуты ЭТК ЛА……..33503.1 Модели сопротивлений связи экранированных электрических жгутов иих частотные характеристики ….………………………….…………............503.2 Модель воздействия электрического и магнитного поля на экран электрического жгута ………………………………….……….………………….553.3 Модель воздействия электрического и магнитного поля на внутренниепроводники экранированного электрического жгута…………………..…..68Глава 4. Методика расчета наведенных ЭМП в электрических жгутах ЭТКЛА…….…………………………………………………………….................754.1 Расчет наведенных синфазных кондуктивных помех на внешнем экранеэлектрического жгута при воздействии электрического и магнитного полей………………………………………………………………......................754.2 Расчет наведенных синфазных кондуктивных помех на внутренних проводниках экранированного электрического жгута при воздействии электрического и магнитного полей…………………........................................98Глава 5.

Экспериментальное исследование частотных свойств экранов электрических жгутов и моделирование воздействия ЭМП на работу усилителя тока двигателя ………………………………………………………….12935.1 Сравнение экспериментальных и расчетных частотных характеристиксопротивлений связи и эффективности экранирования экранов электрических жгутов……………………………………………..…………………..1295.2 Моделирование работы усилителя тока двигателя системы рулевогопривода при воздействии ЭМП на электрические жгуты цепей егоуправления……………………………………………………………………139Заключение……………………………..………………………….........................

153Список сокращений и условных обозначений…………………………………156Список использованных источников……………………………………………159Приложение 1 – Акт о внедрении……………………………………………….165Приложение 2 – Программное обеспечение…………………………………….1664ВВЕДЕНИЕАктуальность работы. Электрические жгуты (провода, кабели), входящие вэлектротехнический комплекс (ЭТК) летательных аппаратов (ЛА), в силу их протяженности и разветвлённой структуры наиболее подвержены воздействию излучаемых мощных электромагнитных помех (МЭМП).На современном этапе авиастроения актуальность обеспечения помехозащищенности ЭТК ЛА от воздействия МЭМП, а также обеспечения надежной передачи энергии и информации по электрическим жгутам возрастает. Этому способствуют следующие факторы [1, 2, 3]:― уменьшение эффективности экранирования конструкции ЛА, вследствиерасширенного применения композитных материалов;― усложнение электромагнитной обстановки (ЭМО) и ухудшение электромагнитной экологии из-за электромагнитного загрязнения окружающей среды, вызванное интенсивным и неконтролируемым авиационными властями увеличениемколичества и мощности источников МЭМП, например, источников электромагнитных полей высокой интенсивности;― разработка и внедрение новых электронных и электрических систем ЭТКЛА, выполняющих функции необходимые для безопасного продолжения полета ипосадки;― рост числа и мощности приемников электрической энергии, переход к электродистанционной системе управления, к концепциям самолетов с повышеннымуровнем электрификации и самолетов с полностью электрифицированным оборудованием.Создаваемые источниками естественного и искусственного происхожденияизлучаемые МЭМП в виде электрических и магнитных полей, распространяясь ватмосферной или космической среде, достигают корпуса ЛА, проникают во внутреннее пространство его конструкции и создают кондуктивные электромагнитныепомехи (ЭМП).

Кондуктивные ЭМП воздействуют на электропроводные элементы конструкции ЛА, на экраны электрических жгутов, на их внутренние проводники и проявляются в виде импульсных токов в конструкции и в электрических5жгутах ЭТК ЛА [8, 35]. Кондуктивные ЭМП, распространяясь по цепям электрических жгутов, проникают через электрические соединители приборов и устройств ЭТК ЛА на проводящие дорожки печатных плат и через выводы полупроводниковых приборов и интегральных микросхем воздействуют на их внутреннюю структуру, что в итоге может привести к ухудшению качества функционирования или отказу ЭТК ЛА [19, 36, 37].Помехозащищенность электрических жгутов ЭТК ЛА от МЭМП обеспечивается металлическими плетеными экранами (далее – экранами), которые отличаются параметрами конструкции, такими как: материал и толщина нити, из которой изготовлен экран; количество прядей и нитей в пряди; угол плетения.

В зависимости от данных параметров различные экраны имеют разные характеристикиэффективности экранирования и массы, которые являются наиболее важными привыборе типа экрана проектируемых электрических жгутов ЭТК ЛА [4].Таким образом, исследование помехозащищенности электрических жгутовЭТК ЛА при воздействии МЭМП связано с расчетом кондуктивных ЭМП, распространяющихся по цепям (экранам и внутренним проводникам) экранированных электрических жгутов и приводящих к возможному ухудшению качествафункционирования или отказу ЭТК ЛА, что является актуальной и важной научно-технической задачей, решение которой позволит повысить помехозащищенность электрических жгутов ЭТК ЛА от МЭМП.Вопросам МЭМП, воздействующих на ЛА, посвящены работы В.И.

Кравченко, Л.Н Кечиева, Н.В. Балюка, В.П. Булекова, В.Ю. Кириллова, Э.М. Базеляна,Ю.П. Райзера, Л.О. Мыровой [5-11] и др.Вопросам помехозащищенности электрических жгутов ЭТК ЛА с плетенымиэкранами посвящены работы таких авторов как: В.И. Кравченко, И.И. Гроднев,А.Ф. Дьяков, В.Ю. Кириллов, М.М. Томилин, М.В. Марченко, В.Х.

Нгуен,R.D. Leach, M.B. Alexander, C.A. Clarke, W.E. Larsen, E.F. Vance, T. Kley, M. Tyni[12-24] и др.Существующие математические модели проникновения МЭМП во внутреннеепространство конструкции ЛА и корпусов приборов и устройств ЭТК ЛА [5, 6, 7,611] разработаны для случая периодических излучаемых МЭМП. Известные математические модели и методики расчета наведенных токов и напряжений на экранах и внутренних проводниках электрических жгутов ЭТК ЛА [20-24] разработаны для случаев воздействия кондуктивных периодических и импульсных ЭМП наэлектрические жгуты с одним и несколькими экранами. В диссертационной работе предложены математические модели и методики расчета: проникновения вовнутреннее пространство конструкции ЛА и корпусов приборов и устройств ЭТКЛА импульсных излучаемых МЭМП; наведенных токов и напряжений на экранахи внутренних проводниках электрических жгутов ЭТК ЛА, рассматриваемых какцепи с распределенными параметрами, для случаев воздействия периодических иимпульсных излучаемых МЭМП.Цель и задачи работы.

Цель диссертационной работы заключается в повышении помехозащищенности электрических жгутов ЭТК ЛА при воздействии излучаемых МЭМП путем исследования результатов их воздействия в виде наведенных токов и напряжений на экранах и внутренних проводниках электрическихжгутов, влияющих на работоспособность и качество функционирования ЭТК ЛА.Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:― разработать методику расчета уровней излучаемых МЭМП, проникающихво внутреннее пространство конструкции ЛА и корпусов приборов и устройствЭТК ЛА;― разработать математические модели воздействия периодических и импульсных излучаемых МЭМП на экраны и внутренние проводники экранированныхэлектрических жгутов ЭТК ЛА, рассматриваемых в виде электрических цепей сраспределенными параметрами;― разработать методики расчета наведенных излучаемыми МЭМП кондуктивных ЭМП на экранах и внутренних проводниках экранированных электрическихжгутов ЭТК ЛА с использованием методов анализа электрических цепей с распределенными параметрами;― провести сравнение экспериментальных и расчетных характеристик помехозащищенности электрических жгутов ЭТК ЛА;7― провести моделирование воздействия кондуктивных ЭМП, наведенных навнутренних проводниках экранированных электрических жгутов излучаемымиМЭМП, на приборы и устройства ЭТК ЛА.Предмет и объект исследования.

Предметом исследования является помехозащищенность электрических жгутов от излучаемых МЭМП, проникающих вовнутреннее пространство конструкции ЛА и корпусов приборов и устройств ЭТКЛА. Объектом исследования является экранированные электрические жгуты.Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационнойработе использованы методы теоретической электротехники, теории экранирования, теории функций комплексного переменного и операционное исчисление. Длярешения уравнений и построения диаграмм использован пакет программMATLAB, для проведения имитационного компьютерного моделирования воздействия МЭМП на ЭТК ЛА применен пакет программ OrCad 9.2.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:― разработаны математическая модель и методика расчета спектральных характеристик и энергий импульсных излучаемых МЭМП, проникающих во внутреннее пространство конструкции ЛА и корпусов приборов и устройств ЭТК ЛА;― разработаны математические модели и методика расчета воздействия периодических и импульсных МЭМП в виде электрического и магнитного полей наэкраны электрических жгутов ЭТК ЛА, рассматриваемых в виде электрическихцепей с распределенными параметрами;― разработаны математические модели и методика расчета наведенных электрическим и магнитным полями кондуктивных периодических и импульсныхЭМП на внутренних проводниках экранированных электрических жгутов ЭТКЛА, рассматриваемых в виде электрических цепей с распределенными параметрами.Достоверность полученных результатов работы обуславливается корректностью исходных положений, приближений и преобразований, использованиемапробированного адекватного математического аппарата, компьютерных программ и логической обоснованностью выводов.