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

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФедеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего профессионального образованияНАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»На правах рукописиБелик Глеб АндреевичМетод повышения устойчивости печатных узлов БРЭАкосмических аппаратов к возникновению ЭСРСпециальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройствателевиденияДиссертацияна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук,профессор Саенко Владимир СтепановичМосква, 20132СодержаниеВведение …………………………………………………………………………..4Глава 1 Объёмная электризация космических аппаратов: историяисследований и современное состояние разработок…………………………..101.1 Общие проблемы электризации КА …………………………………...

101.2 Влияние околоземной космической «погоды» на электризацию КА...161.3 Внутренняя электризация космических аппаратов …………………...261.4 Меры борьбы с поражающими факторами электризации ……………41Глава 2 Схемотехническое моделирование воздействия материала сзаданными свойствами на работу типового электронного устройства –мультивибратора ……………………………………………………………….502.1 Расчетно-теоретическая модель ………………………………………522.2 Экспериментальное получение исходных данных для расчетнотеоретической модели …………………………………………………….56Глава 3 Технология изготовления модельного диэлектрика (нанопроводящегоматериала) и исследование его электрофизических свойств ………………633.1 Электропроводящие полимеры ………………………………………633.2 Проводящие компоненты……………………………………………..633.2.1 Технический углерод (сажа) ………………………………….…653.2.2 Наполнители для получения высокой проводимости …………673.2.3 Связующие компоненты ………………………………………....673.3 Свойства наполненных полимеров …………………………………..693.4 Исходные компоненты для изготовления модельного диэлектрика 713.4.1 Диэлектрик парафин нефтяной ………………………………….713.4.2 Проводящий наполнитель технический углерод ………………743.5 Отработка технологии изготовления композитного диэлектрическогоматериала ………………………………………………………………….763.5.1 Образец для проведения измерений …………………………….773.5.2 Измерения тангенса угла наклона и емкости образца …………7833.5.3 Измерение проводимости образца ………………………….….83Глава 4 Методика исследования полученного модельного диэлектрика наэлектризуемость ………………………………………………………….….854.1 Образцы для проведения исследований………………………….…864.2 Установка для исследований ………………………………………..874.3Исследовательскаяячейкадляиспытанийвустановкенаэлектризуемость ………………………………………………………….884.4 Исследование материалов путем их облучения моноэнергетическимипотоками …………………………………………………………………..944.5 Методика исследований на электризуемость ………………………96Глава 5 Экспериментальное исследование влияния полученного диэлектрикана параметры печатной платы ……………………………………………….985.1 Влияние покрытия на частоту генерации прямоугольного сигнала 985.2 Измерение скорости передачи данных между двумя ПК используявысокоскоростную сеть передачи данных ……………………………...100Заключение ……………………………………………………………………105Литература……………………………………………………………………..108Приложение А…………………………………………………………………1214ВведениеАктуальность темы диссертации.

В настоящее время развитиекосмической техники отечественного производства идёт по линии созданияцелевых группировок космических аппаратов (КА) различного назначения:для спутниковой связи и телевещания - «Ямал» и «Экспресс-МД», какспутники-ретрансляторы - «Луч», для глобальной системы навигации «Глонасс-М» и «Глонасс-К». Кроме того, создаются научные серии малыхкосмических аппаратов, космических аппаратов военного назначения и др.важные космические системы. Важнейшим критерием эффективности такихгруппировок является обеспечение 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 космическогоаппаратаиобъемноезаряжениеполимерныхдиэлектриковнаегоповерхности, но и заряжение бортовой аппаратуры находящейся внутри КА.Экспериментально, в натурных условиях эксплуатации установлен критерийвозникновения электростатического разряда внутри корпуса КА. Этосуммарный, за 10 часов флюенс электронов в 2·1010 электронов/см2.

Такойразряд может вызвать обратимые и необратимые отказы бортовойрадиоэлектронной аппаратуры. Это обусловлено как параметрами разрядных5импульсов (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, посвященцелый ряд 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.Поскольку полностью решить проблему проникновения потоковэлектронов через внешние и внутренние конструкции КА без существенногоувеличениямассыкосмическогоразработатьметодзащитыаппаратадиэлектриковневозможно,печатныхнеобходимоузловбортовойаппаратуры от внутренней электризации, т.е.

предотвратить накоплениезаряда.Дляобладающегоэтогонеобходимопониженнойнанопроводимости.провестиразработкуэлектризуемостьюПриставка«нано-»здесьзасчетуказываетдиэлектрика,собственнойтольконанеобходимую величину проводимости 10-9 Ом-1·м-1 для исключения ЭСР.Мероприятияпоопределениювозможностиприменениятакогонанопроводящего диэлектрика, в качестве диэлектрика печатных платпозволят повысить устойчивость КА к воздействию факторов электризации,и тем самым увеличить срок их активного существования, поэтомувыбранная тема диссертационной работы является актуальной.Цель диссертационной работы и задачи исследованияЦелью диссертационной работы является повышение устойчивостикосмической бортовой аппаратуры к поражающим факторам внутренней6электризации 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 внутреннейэлектризации и сопровождающих её электростатических разрядов исформулировать целевую задачу. На основе анализа этих методовсформулироватьновоенаправлениедляустранениявнутреннейэлектризации БРЭА КА. Это направление предполагает использование вкачестведиэлектриковпечатныхузловбортовойаппаратурыКАдиэлектриков, обладающих нанопроводимостью.2. Провестикомпьютерноемоделированиеработытиповогоцифрового устройства мультивибратора для обоснования возможностизамены традиционных диэлектриков печатного узла на диэлектрики,обладающиенанопроводимостьюиисключающиевозможностьвозникновения электростатических 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 поопределению электризуемости модельного диэлектрика под действиемэлектронного облучения в вакууме, в условиях близких к натурным условиямэксплуатации. Запатентовать предложенное в диссертации техническоерешение.5.

Разработать методику экспериментальных исследований типовогоцифрового устройства мультивибратора путем применения модельного7диэлектрика 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 предшествующихисследованийданногосформулировановопроса.новоеНаосновенаправлениедляанализаэтихустраненияметодоввнутреннейэлектризации БРЭА КА.