Автореферат (Разработка методики проектирования многослойных экранов комбинированных линий связи для космических бортовых электротехнических комплексов), страница 3

Функция ограничений Uдоп(f) была представлена кусочно-линейной функцией: на частотном диапазоне от 100 кГц до 6,3 МГц напряжение помехи не должно пре-вышать 2 мВ, в диапазоне от 6,3 МГц до 12,5 МГц не должно превышать линейного возрастания с 2 мВ до 20 мВ, в диапазоне от 12,5 МГц до 50 МГц недолжно превышать линейного возрастания с 20 мВ до 80 мВ. Воздействующая электромагнитная помеха в приведенном выше диапазоне частот былазадана в виде протекающего по экрану бортового кабеля тока с амплитудой 1А.

В результате использования методики проектирования получены следующие параметры экранов. Внутренний экран (экран витой пары) обладает следующими, полученными теоретически, конструкционными параметрами: d =125 мкм; a = 0,9 мм; Nп = 4; Nж = 16;  = 18; погонная масса экрана 7,47грамм/м. Внешний экран - d = 70 мкм; a = 8 мм; Nп = 3; Nж = 65;  = 28,8;погонная масса 7,7 грамм/м. Экспериментальный образец изготовлен из материалов, серийно выпускаемых промышленностью, с конструкционнымипараметрами наиболее близкими к теоретическим расчетам.

Линии связи вэкспериментальном образце выполнены витой парой КВФСМ-75. Внешнийэкран изготовлен из плетенки ПОМС, обладающей следующими конструкционными параметрами: d = 72 мкм; a = 8 мм; Nп = 3; Nж = 60;  = 29; погоннаямасса 7,4 грамм/м.Для экспериментальной проверки был создан стенд, в котором изготовленный экспериментальный образец бортового кабеля располагался как центральный проводник коаксиальной системы. Схема стенда приведена в диссертационной работе. В результате эксперимента зафиксировано, что экспериментальные значения измеренного напряжения превышают, на некоторыхчастотах, заданный при проектировании уровень не более, чем на 38 %.НАЧАЛОСоставить матрицу ограничений для каждой лини связи бортового кабеля M U доп ( f )E допВыбрать линию связи m, для которой U доп, m  min(U доп,1 ,U доп ,2 ,...,U доп , n ) илинию связи k, для которой Eдоп, k  min( Eдоп,1 , Eдоп, 2 ,..., Eдоп, n )Для цепей m и k определить параметры [d, a, Nп, Nж, ]m и [d, a, Nп, Nж, ]k внешнего экрана бортовогокабеля в соответствии с обобщенным алгоритмом расчета параметров плетеных экранов.ДаМасса [d, a, Nп, Nж, ]m >массы [d, a, Nп, Nж, ]k ?Параметры экрана[d, a, Nп, Nж, ]mудовлетворяют Mk?ДаДаУвеличивать параметры [d, a, Nп, Nж, ]mтак, чтобы росла функцияN п N жdFНетПараметры экрана[d, a, Nп, Nж, ]kудовлетворяют Mm?Увеличивать параметры [d, a, Nп, Nж, ]kтак, чтобы росла функцияN п N жdF4a  cos4a  cosВыбрать ближайшие, к полученным d, a, Nп, Nж, , параметры внешнего экрана [d, a, Nп, Nж, ]вн извариантов производимых промышленностью.

Выполнить проверочный расчет ограничений Mk и Mm.Определить матрицу M порU порс помощью модели: неэкранированная витая пара в [d, a, Nп, Nж, ]внEпорi=1ДаMi > Mпор ?Получить параметры [d, a, Nп, Nж, ]iвнутреннего экрана, используя обобщенныйалгоритм расчета параметров плетеныхi-я линия связи исполняется неэкранированнойвитой паройэкранов с ограничениями M  U i ( f )iEiНетi=i+1Даi=n?КОНЕЦВыбрать ближайшие, к полученным[d, a, Nп, Nж, ]i , параметрывнутренних экранов из вариантовпроизводимых промышленностью.Выполнить проверочный расчетвыполнения ограничений Mi.Рисунок 2.

Схема методики проектирования экранов бортовых кабелей.На втором этапе экспериментального подтверждения методик, при проектировании экранов кабелей бортовой кабельной сети КА «KazSat-2», электромагнитная обстановка задавалась в виде протекающего по экрану импульсного тока электростатического разряда, имеющего экспоненциальнуюформу, амплитудой 133 А. Ограничение энергии, прошедшей на входныецепи - не более Eогр = 10-9 Дж.В результате использования методики проектирования получены следующие конструкционные параметры экранов. Внутренний экран (экран витой пары): d = 125 мкм; a = 0,9 мм; Nп = 4; Nж = 16;  = 18; погонная масса7,47 грамм/м. Внешний экран: d = 50 мкм; a = 8 мм; Nп = 6; Nж = 88;  = 30;погонная масса 10,3 грамм/м.

Теоретическая оценка энергии, проникающей втакой бортовой кабель, Eтеор = 4,410-10 Дж/м, что меньше 10-9 Дж/м.Экраны бортовых кабелей КА "KazSat-2" были изготовлены из материалов, серийно выпускаемых промышленностью, с конструкционными параметрами, выбранными на основе полученных результатов проектирования.Линии связи выполнены экранированной витой парой КВФСМ-75. Внешнийэкран изготовлен из плетенки ПМСН: d = 72 мкм; a = 8 мм; Nп = 3; Nж = 60; = 29; погонная масса 18,3 грамм/м.

Энергия электромагнитных помех в линиях бортового кабеля не более Eтеор = 1,8310-9 Дж.В результате проведенной серии экспериментальных измерений получена верхняя оценка энергии на входе бортового прибора, учитывающая погрешности измерения, Emax = 2,510-9 Дж, средняя оценка Eэкс = 1,610-9 Дж.Различие между верхней оценкой экспериментально измеренных значенийэнергии и теоретическим значением не более 37 %.

Такое различие объясняется неоднородностью прокладки, разделки и экранирования витых пар вбортовом кабеле, наличием погрешности параметров генерируемых электростатических разрядов.Далее в работе проведено экспериментальное исследование, позволившее установить зависимость эффективности экранирования бортовых кабе-лей от величины переходного сопротивления экран-разъем для кабелей с различной технологией заделки при воздействии электростатических разрядов.На рисунке 3 представлена зависимость напряжения электромагнитных помех в кабеле от переходного сопротивления. На основании результатов исследования сформулированы практические рекомендации по увеличениюэффективности экранирования бортовых кабелей при импульсных электромагнитных воздействиях, путем применяя технологий, обеспечивающих минимальное переходное сопротивление экран-разъем.Четвертая глава посвящена экспериментальному подтверждениюстойкости бортового комплекса управления КА «KazSat-2» с кабельной сетью, параметры экранов которой были выбраны на основе разработаннойметодики проектирования комбинированных кабелей, к воздействию электростатических разрядов с учетом отсутствия эффекта отложенного отказа.Разработана методика испытаний автономно функционирующих систем КА на стойкость к электростатическим разрядам, в соответствии с которой были проведены испытания БКУ КА "KazSat-2".

Испытания отдельныхсистем космических аппаратов на этапе предварительных испытаний по экономическим и временным затратам выгоднее, чем проведение испытаний наустойчивость к электростатическим разрядам на собранном космическомаппарате, как это предусмотрено сейчас нормативными документами.Испытания БКУ КА на стойкость к электростатическим разрядам проходят в три этапа:1. определение уровней помеховых сигналов при воздействии электростатических разрядов на комбинированные кабели бортовой кабельной сети,нагруженные на имитаторы бортовых устройств;2. определение уровней помеховых сигналов при воздействии электростатических разрядов на выключенный бортовой комплекс управления;3.

проверка сохранения качества функционирования БКУ космическогоаппарата при воздействии серий электростатических разрядов.Рисунок 3. Зависимость напряжения электромагнитных помех в кабеле от переходного сопротивления.На рисунке 4 изображен фрагмент испытательного стенда для измеренияуровней помеховых сигналов в соответствии с первым этапом методики, результаты измерений приведены в таблице 1.На рисунке 5 изображена схема стендовых испытаний БКУ КА в соответствии с третьим этапом методики. Бортовой комплекс управления, реализованный на стенде, полностью повторяет БКУ, устанавливаемый на КА, вчасти: аппаратной конфигурации; сертификации применяемых полупроводниковых элементов; длин и технологии изготовления бортовой кабельнойсети, соединяющей блоки БКУ; программного обеспечения; контроля работоспособности системы управления.

Датчики и исполнительные устройства,не входящие в БКУ, были реализованы в виде имитаторов смежных систем,которые по электрическим характеристикам аналогичны реальным приборам.Проведенные многоэтапные испытания по подтверждению стойкости кэлектростатическим разрядам БКУ КА «KazSat-2», позволили количественнооценить величины наведенных напряжений электромагнитных помех отэлектростатических разрядов на входах блоков БКУ и других систем (таблица 1). Измеренные уровни помеховых сигналов не приводят к разрушениювходных цепей, в том числе, не могут привести к возникновению отложенных отказов, поскольку не превышают логические уровни информационныхсигналов.

Сохранение качества функционирования БКУ КА «KazSat-2» позволяет сделать заключение о правильности выбранной технологии изготовления бортовой кабельной сети данного КА. На заключительном этапе, расчетно-экспериментальным путем, в соответствии с теорией планированияэксперимента, с помощью метода Босса, подтверждена стойкость бортовогокомплекса управления КА «KazSat-2» к электростатическим разрядам, возникающим на космическом аппарате при натурной эксплуатации, с вероятностью не менее 0,97 за срок активного существования КА.Таблица 1. Результаты измерения уровней помеховых сигналов.Группа кабелейГруппа 1.Кабели цифровойпоследовательнойшины обмена.Группа 2.Кабели аналоговыхизмерительных цепей.Группа 3.Кабели системы электроснабжения.Тип воздействующего электростатического разрядаКонтактный искровой разряд (воздушный). Амплитуда 20 кВ.Контактный разряд.

Амплитуда 20 кВ.Максимальная амплитуда помеховогосигнала в кабеле110 мВ300 мВВоздействие импульсным полем черезпровод-индуктор (бесконтактный безыскровой разряд в контуре 20 кВ).312 мВВсе виды воздействий. Амплитуда 20 кВ.1ВВсе виды воздействий. Амплитуда 20 кВ.1ВРисунок 4. Воздействие электростатических разрядов на испытываемый бортовойкабель.1 – места воздействия искровым и безыскровым контактными электростатическими разрядами на испытываемый кабель; 2 – генератор ESD 30N; 3 – автономныйизмерительный блок; 4 – имитатор бортового устройства.Рисунок 5. Схема стендовых испытаний БКУ КА.1 – диэлектрический стол; 2 – плоскость заземления; 3 – шина заземления; 4 – перемычка металлизации; 5,8 – кабели заземления; 6 – генератор электростатических разрядов; 7 – место воздействия искровыми и безыскровыми контактными электростатическим разрядами; 9 –воздействие электростатических разрядов через токовый индуктор; 10 – кабели, соединяющие имитаторы с блоками БКУ; 11 – кабель телеметрической информации; 12 –блоки БКУ; 13 – регистратор телеметрической информации.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫВ диссертационной работе получены следующие основные результаты:1.