Автореферат (Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению ЭСР)

На правах рукописиБЕЛИК Глеб АндреевичМЕТОД ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПЕЧАТНЫХУЗЛОВ БРЭА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВК ВОЗНИКНОВЕНИЮ ЭСРСпециальность 05.12.04 –Радиотехника, в том числе системы и устройства телевиденияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре физической химии и экологииНационального исследовательского университета «Высшая школа экономики»Научный руководитель:Саенко Владимир Степанович,доктор технических наук, профессорОфициальные оппоненты:Кириллов Владимир Юрьевич,доктор технических наук, профессор,заведующий кафедрой «Теоретическаяэлектротехника» Московского авиационногоинститута (МАИ НИУ), г.

МоскваНовиков Лев Симонович,доктор физико-математических наук,профессор, заведующий отделом Ядерных икосмических исследований Научноисследовательского института ядерной физикиимени Д.В. Скобельцына (НИИЯФ МГУ),г. МоскваВедущая организация:ОАО «Московский научноисследовательский радиотехническийинститут»Защита состоится 10 апреля 2014 г. в 16 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.048.13 Национального исследовательскогоуниверситета «Высшая школа экономики» по адресу: 109028, Москва,Б. Трехсвятительский пер., д. 3С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национальногоисследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу:101000, г.

Москва, ул. Мясницкая, д. 20Автореферат разослан «____» февраля 2014 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,Грачев Н.Н.кандидат технических наук, профессор2Общая характеристика работыАктуальность темы диссертацииВ настоящее время развитие космической техники отечественногопроизводства идёт по линии создания целевых группировок космическихаппаратов (КА) различного назначения: для спутниковой связи и телевещания «Ямал» и «Экспресс-МД», как спутники-ретрансляторы - «Луч», дляглобальной системы навигации - «Глонасс-М» и «Глонасс-К». Кроме того,создаются научные серии малых космических аппаратов, космическихаппаратоввоенногоВажнейшимназначениякритериеми др.

важныеэффективноститакихкосмическиесистемы.группировокявляетсяобеспечение длительных сроков эксплуатации, входящих в них отдельных КА.В соответствии с этим обстоятельством Федеральным космическимагентством предъявляются требования к конструкторским бюро отрасли подоведении сроков активного существования (САС) создаваемых КА вближайшее время до 10−15 лет и более.

При этом в конструкциях КАпроизошли существенные изменения, заключающиеся в повсеместном отказеот герметичных отсеков (гермоконтейнеров), имеющих замкнутый объем,который обеспечивал дополнительную защиту бортовой радиоэлектроннойаппаратуры (БРЭА) от корпускулярных излучений.Серьезным препятствием для достижения поставленных целей являетсяэлектризация КА и те негативные процессы, которые она порождает.

Это нетолько дифференциальное заряжение элементов поверхности космическогоаппарата и объемное заряжение полимерных диэлектриков на его поверхности,ноизаряжениебортовойаппаратурынаходящейсявнутриКА.Экспериментально, в натурных условиях эксплуатации установлен критерийвозникновенияэлектростатическогоразряда3внутрикорпусаКА.Этосуммарный, за 10 часов флюенс электронов в 2·1010 электронов/см2. Такойразрядможетвызватьобратимыеинеобратимыеотказыбортовойрадиоэлектронной аппаратуры.

Это обусловлено как параметрами разрядныхимпульсов (скорость нарастания разрядного тока достигает 1010 А/с), так иповышенной чувствительностью аппаратуры к таким воздействиям.Установлено, что источником опасного воздействия для элементовбортовой электроники служат электростатические разряды в диэлектрикахпечатных плат или пластмассовых корпусах полупроводниковых приборов.Причем разряд из диэлектрика в кристалл полупроводника микросхемыприбора, как правило, приводит к необратимому отказу последнего.Вопросам электризации КА, в том числе и внутренней, посвящен целыйряд работ таких авторов как: Л.С. Новиков, А.И.

Акишин, В.С. Анашин, Л.Н.Кечиев, В.С. Саенко, В.Ю. Кириллов, А.П. Тютнев, Е.Д. Пожидаев, А.Б.Соколов, В.А. Стародубцев, А. Фредериксон, Г. Гэррэт, М. Бодэ и др.Посколькуполностьюрешитьпроблемупроникновенияпотоковэлектронов через внешние и внутренние конструкции КА без существенногоувеличения массы космического аппарата невозможно, необходимо разработатьметод защиты диэлектриков печатных узлов бортовой аппаратуры отвнутренней электризации, т.е. предотвратить накопление заряда.

Для этогонеобходимо провести разработку диэлектрика, обладающего пониженнойэлектризуемостью за счет собственной нанопроводимости. Приставка «нано-»здесь указывает только на необходимую величину проводимости 10-9 Ом-1·м-1для исключения ЭСР. Мероприятия по определению возможности применениятакого нанопроводящего диэлектрика, в качестве диэлектрика печатных платпозволят повысить устойчивость КА к воздействию факторов электризации, итем самым увеличить срок их активного существования, поэтому выбраннаятема диссертационной работы является актуальной.4Цель диссертационной работы и задачи исследованияЦелью диссертационной работы является повышение устойчивостикосмической бортовой аппаратуры к поражающим факторам внутреннейэлектризации за счет разработки метода повышения устойчивости печатныхузлов БРЭА космических аппаратов к возникновению электростатическихразрядов путем применения в печатных узлах диэлектрика, обладающегонанопроводимостью.Для достижения поставленной цели было необходимо последовательнорешить следующие задачи:1.Выполнить обзор и анализ причин возникновения и существующихметодов защиты БРЭА космических аппаратов от процессов внутреннейэлектризацииисформулироватьсопровождающихцелевуюзадачу.еёэлектростатическихНаосновеанализаразрядовэтихиметодовсформулировать новое направление для устранения внутренней электризацииБРЭАКА.Этонаправлениепредполагаетиспользованиевкачестведиэлектриков печатных узлов бортовой аппаратуры КА диэлектриков,обладающих нанопроводимостью.2.Провести компьютерное моделирование работы типового цифровогоустройствамультивибраторадляобоснованиявозможностизаменытрадиционных диэлектриков печатного узла на диэлектрики, обладающиенанопроводимостьюиисключающиевозможностьвозникновенияэлектростатических разрядов при электронном облучении.3.Разработатьметодикуиизготовитьмодельныйдиэлектрик,обладающий требуемым значением объемной проводимости для исключениявозможности возникновения электростатических разрядов при электронномоблучении.4.Разработать методику и выполнить тестовые эксперименты поопределениюэлектризуемостимодельногодиэлектрикаподдействиемэлектронного облучения в вакууме, в условиях близких к натурным условиям5эксплуатации.

Запатентоватьпредложенноев диссертациитехническоерешение.5.Разработать методику экспериментальных исследований типовогоцифровогоустройствамультивибраторапутемприменениямодельногодиэлектрика с нанопроводимостью, и провести сравнение с результатамикомпьютерного моделирования.6.Разработать метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭАкосмических аппаратов к ЭСР, выполнить экспериментальную проверкуметода, провести оценку влияния повышенной проводимости диэлектрикапечатной платы на характеристики БРЭА.Научная новизна1. Проведено систематическое изучение методов снижения негативныхэффектов внутренней электризации на основе анализа предшествующихисследованийданноговопроса.Наосновеанализаэтихметодовсформулировано новое направление для устранения внутренней электризацииБРЭАКА.Этонаправлениепредполагаетиспользованиевкачестведиэлектриков печатных узлов бортовой аппаратуры КА диэлектриков,обладающих нанопроводимостью.2.

На основе компьютерного моделирования работы типового цифровогоустройства - мультивибратора впервые показана принципиальная возможностьзамены традиционных диэлектриков печатных узлов цифровых схем надиэлектрики, обладающие нанопроводимостью.3. Разработана методика изготовления модельного диэлектрика с заданнымзначением удельной объемной проводимости и методика тестирования этогодиэлектрика на электризуемость под действием электронного облучения ввакууме, в условиях близких к натурным условиям эксплуатации.4. Предложенаметодикаипродемонстрированырезультатытестовыхэкспериментов по применению модельного диэлектрика в типовом устройстве6– мультивибраторе, а также доказано отсутствие влияния повышеннойпроводимости диэлектрика на параметры функционирования этого устройства.Практическая значимость1.

РазработанметодповышенияустойчивостипечатныхузловБРЭАкосмических аппаратов к ЭСР, выполнена экспериментальная проверка методаи внедрение метода в процесс проектирования и производства бортовойрадиоэлектронной аппаратуры космической техники.2. Разработана оригинальная печатная плата для бортовой радиоэлектроннойаппаратурыкосмическихаппаратов,стойкаяквозникновениюэлектростатических разрядов. Патент на полезную модель RU 114 816 U1 от10.04.2012.Патентнаизобретение«Печатнаяплатадлябортовойрадиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов» RU 2 497 319 C1 от29.10.2013 года.3. Предложенный метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭАкосмических аппаратов к ЭСР используется при проектировании и в видевыдачи адаптированных требований на разработку изделий космическойтехники в НПО им.

С.А. Лавочкина.На защиту выносится1. Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космическихаппаратов к ЭСР, основанный на применении диэлектриков обладающихнанопроводимостью взамен использующихся в настоящее время.2. Результаты компьютерного моделирования работы типового цифровогоустройства - мультивибратора, в которых впервые показана принципиальнаявозможность замены традиционных диэлектриков печатных узлов цифровыхсхем диэлектриками, обладающими нанопроводимостью, а также сравнениеполученных результатов с экспериментом и влияние на характеристикимультивибратора повышенной проводимости диэлектрика печатной платы.73.Методикаиэлектризуемостирезультатымодельноготестовыхэкспериментовдиэлектрикаподпоопределениюдействиемэлектронногооблучения в вакууме, в условиях близких к натурным условиям эксплуатации.Реализация и внедрение результатов работы.