Автореферат (Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению ЭСР), страница 2

Результаты работы внедрены ввариантах, адаптированных для выдачи ТЗ на проектирование и разработкупечатных узлов БРЭА космической техники в НПО им. С.А. Лавочкина.Апробацияработы.Основныерезультатыдиссертационнойработыдокладывались и обсуждались на:– 19-23 Международных совещаниях и конференциях «Радиационная физикатвердого тела», г.

Севастополь в 2009-2013 г.г.;– II Всероссийской научно-технической конференции «Системы управлениябеспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами»г. Москва в 2012 г.;– Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодыхспециалистов МИЭМ в 2010-2013 гг.Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в т. ч.3 статьи (из них 3 статьи в журналах перечня ВАК) и 10 тезисов докладов иматериалов конференций по итогам научных совещаний. Получены двапатента: патент на полезную модель и патент на изобретение.Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пятиглав, заключения и списка литературы содержащего 106 наименований.

Объемработы – 123 с.8Содержание работыВо введении дано обоснование актуальности темы диссертационнойработы, сформулированы цели исследования, научная новизна, практическаязначимость и положения, выносимые на защиту.В первой главе диссертации представлен анализ развития исследованийвнутреннейэлектризацииэлементнойбазыБРЭА,формифакторовнегативного воздействия этого явления на функционирование КА, его причиныи существующие меры по защите и нейтрализации поражающих факторовобъёмной электризации. Значительное место в указанных исследованияхзанимает реконструкция общей ситуации в реальном полёте КА, связанная свозможными негативными последствиями для БРЭА в результате протеканияЭСР.

Механизмы возникновения ЭСР проиллюстрированы на рисунке 1.Показана роль космической погоды – изменений плотностей потоковчастиц радиационных поясов Земли на разных орбитах, как одной из основныхпричин возникающих негативных явлений.Рисунок 1 Основные механизмы возникновения и негативные последствиявнутренней электризацииНа основе полученных данных по итогам натурных измеренийспециалистами NASA сформулировано понятие безопасного потока электронов9в 2∙1010 электронов/см2 за 10 часов, а также приведена формула для расчетапроникновения потока через различные материалы (в единицах массовойзащиты, выраженных через алюминий). Показано, что основную опасностьпредставляют потоки электронов энергий от 100 кэВ до 2 МэВ, электроны сэнергией выше 2 МэВ не рассмотрены в силу незначительных плотностей ихпотоков.

Соответственно в научный оборот исследователей и конструкторовКА введено понятие «наихудших условий полёта».Наосновепроведенногоанализапоставленазадачаповышенияустойчивости бортовой аппаратуры к поражающим факторам электризации.Воздействие потоков электронов отвечающих «наихудшему случаю» недолжно приводить к возникновению ЭСР в диэлектриках печатных платбортовой электроники. Таким образом,подробное рассмотрение и анализпроцессов внутренней электризации и сопровождающих её ЭСР, условий ихвозникновения и способов защиты даёт возможность выбрать наиболеепродуктивноенаправлениеработывнастоящемдиссертационномисследовании, состоящее в создании метода повышения устойчивостипечатных узлов БРЭА космических аппаратов к ЭСР.Во второй главе диссертации проведено компьютерное моделированиеработы типового цифрового устройства - мультивибратора для обоснованиявозможностизаменытрадиционныхдиэлектриковпечатныхузловнадиэлектрики, обладающие нанопроводимостью, и, как следствие, пониженнойэлектризуемостью,электростатическихисключающейразрядовпривозможностьоблучениипотокомвозникновенияэлектронов.Мультивибратор был рассчитан в программе симуляции электрических схемLTspice IV, выходной сигнал с него сравнивался с реальным выходнымсигналом типа «меандр» с макетной схемы мультивибратора на транзисторах2N3904, подключенных к запоминающему осциллографу Tektronix 3012В.Незначительное различие (11,6%) расчетного периода колебаний (Т= 1,63 мс) иизмеренного периода колебаний на макетном образце (Т= 1,44 мс) обусловлено10разбросомемкостейконденсаторовисопротивленийрезисторовиспользованных радиоэлементов.

Для имитации применения диэлектрикапечатной платы обладающего нанопроводимостью (10-9 Ом-1·м-1) между всемиузлами расчетной схемы (рисунок 2) были добавлены высокоомные резисторыноминалом в 0,2; 0,5; 1,0; 5,0; и 10,0 МОм. При расчете выходного сигналамультивибратора изменений сигнала не наблюдалось до минимальнойвеличины сопротивления резисторов в 1,0 МОм, однако при дальнейшемуменьшении сопротивления резисторов до величины в 500 кОм и 200 кОмпоявились существенные искажения формы и периода сигнала.Результаты моделирования были подтверждены экспериментально. Былизготовленмакетныйобразецмультивибратора,сдополнительнымирезисторами величиной 1 МОм между всеми узлами схемы (рисунок 2).

Былополучено хорошее совпадение результатов моделирования и эксперимента.В третьей главе диссертации разработана методика и изготовленмодельный диэлектрик, обладающий требуемым значением удельной объемнойэлектропроводностидляэлектростатическихразрядовисключенияпривозможностиэлектронномвозникновенияоблучении.Модельныйдиэлектрик с заданным удельным электрическим сопротивлением 109 Ом·м былполучен путем смешивания высокоочищенного парафина П-2 и техническогоуглерода (сажи) П-803 размер частиц здесь составляет порядка 25-150 нм.Стакан с парафином помещался на подогреваемую магнитную мешалку.

Послерасплавления, в стакан помещался магнит и соответствующая процентномуотношению навеска технического углерода. В течение получаса происходилоперемешивание. Следует отметить, что в ходе экспериментальных работнаилучшая повторяемость результатов электрофизических свойств полученныхобразцов была достигнута при однократном первичном добавлении сажи, а непутем добавления навесок в уже приготовленный модельный диэлектрик.11Рисунок 2 Преобразованная принципиальная схема исходного мультивибратора издвух транзисторов 2N3904 и навесных элементов R1…R4, С1, С2 дополненарезисторами R5…R15, призванными имитировать дополнительные утечки в схеме засчет применения диэлектрика, обладающего нанопроводимостью, в качествематериала печатной платы мультивибратора.Полученный образец для исследований электрофизических характеристикпредставлял собой плоский конденсатор с охранным кольцом из алюминия.Диаметр верхней обкладки конденсатора – 60 мм, толщина образца 1,5 – 2 мм.Все экспериментальные работы и измерения проводились на частоте 1 МГцпри температуре окружающей среды плюс 25 С.

Такая конфигурацияобразцов (на рисунке 3) позволила последовательно проводить измерения какудельного сопротивления образца на постоянном токе, так и измерения егодиэлектрической проницаемости на частоте 1 МГц при помощи измерителяиммитанса Е7-20.Полученные зависимости приведены на рисунках 4 и 5. Измеренияудельногообъемногосопротивления12образцапроводилоськосвеннымметодом путем измерения тока через образец при помощи электрометра ВК 216 с учетом геометрической формы электродов.Полученные зависимости показали, что при использовании техническогоуглерода его необходимая концентрация составляет 8-9 массовых % дляполучения образцов с удельным электрическим сопротивлением 109 Ом·мРисунок 3 Определение емкости и тангенса угла диэлектрических потерьобразцов модельных диэлектриков с помощью измерителя иммитанса Е7-20.Рисунок 4 Зависимость диэлектрической проницаемости модельногодиэлектрика от концентрации технического углерода, добавленного в парафин.13Рисунок 5 Зависимость удельного электрического сопротивления модельногодиэлектрика от концентрации технического углерода, добавленного в парафин.В четвертой главе диссертации разработана методика и выполненытестовыеэкспериментыпоопределениюэлектризуемостимодельногодиэлектрика под действием электронного облучения в вакууме, в условияхблизких к натурным условиям эксплуатации.

Несколько образцов с разнымпроцентным содержанием углерода от 4 до 9 процентов подвергалисьисследованиям. Образцы модельного диэлектрика толщиной 1,5 - 2 мм наалюминиевом электроде (подложке) толщиной 15 мм помещались внутрьвакуумной камеры (схема приведена на рисунке 6), и по достижению в нейвакуума 5∙10-6 мм рт. ст. облучались потоком моноэнергетических электронов сэнергией 40 кэВ.Базовая модель ЭЛА-50/5 была подвергнута значительным переделкам, врезультате которых получилась исследовательская установка, обладающаяследующими основными техническими характеристиками.1) Энергия электронов пучка плавно регулируется от 500 эВ до 50 кэВ.2) Длительность импульса электронного излучения плавно изменяется вдиапазоне (10-6…10-3) с и включает непрерывный режим облучения.3) Плотность тока пучка электронов варьируется в пределах 10-11…10-4 А/см2.4) Вакуум в рабочей камере при испытаниях – 5×10-6 мм рт.ст.14Блок питанияэлектроннойпушки178524БлокизмеренияпотенциалаповерхностиОсциллографTektronix3032B(двухканал.)63Блок-схема проведения испытаний материалов КА на электризуемость.1- электронная пушка, 2- испытуемый образец, 3- металлическая подложка, 4- датчик для измерения потенциала, 5- устройство перемещениядатчика, 6- пояс Роговского нагруженный на 50-омный резистор,7- датчик плотности потока электронов, 8- вакуумная камера.Рисунок 6 Многофункциональная установка для исследований материалов наэлектризуемостьРазработанная методика испытаний образцов на электризуемость состоит изследующих этапов.1.

Наметаллическуюподложку(3)устанавливаетсяобразец(2)испытуемого материала. При этом принимаются исчерпывающие мерыпо качественной металлизации всех проводящих элементов этогообразца.2. Осуществляетсяоткачкавакуумнойкамеры(8)длядостижениятребуемого значения вакуума 5∙10-6 мм рт. ст.3. Устанавливается требуемая энергия и плотность тока пучка электроновдля электронной пушки (1). Для полного учета методических (?)факторов измеряется распределение плотности тока пучка электронов вплоскостиобразца.приспособления(5)Сэтойцельюперемещается15припомощицилиндрнесложногоФарадея(7)сограничивающейдиафрагмойдиаметром2 мм в двухвзаимноперпендикулярных направлениях по радиусу электронного пучка ирегистрируется ток цилиндра в различных точках.

Неравномерностьплотности пучка по площади образца не превышает 25 % в рабочейобласти, что вполне удовлетворяет поставленным задачам.4. Через интервалы времени 10с, 20с и 60с проводятся измеренияповерхностного потенциала (4,5). Датчик для измерения потенциалаповерхности выполнен на основе динамического конденсатора и имеетвозможность перемещения в требуемую точку над поверхностьюоблучаемогообразцаконструкционногоматериала.Приэтомопределяется время достижения максимального потенциала.5. Облучение каждого образца проводится в течение 30 минут, при этомавтоматическификсируютсяЭСРнаповерхностиобразца.Количественные измерения параметров ЭСР проводятся с помощьюпоясаРоговского(6),нагруженногонарезистор50-омныйиподключенного к одному из каналов осциллографа Tektronix-3032B.6.