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

Это направление предполагает использование вкачестведиэлектриковпечатныхузловбортовойаппаратурыКАдиэлектриков, обладающих нанопроводимостью.2. Наосновекомпьютерногомоделированияработытиповогоцифрового устройства - мультивибратора впервые показана принципиальнаявозможность замены традиционных диэлектриков печатных узлов цифровыхсхем на диэлектрики, обладающие нанопроводимостью.3. Разработана методика изготовления модельного диэлектрика сзаданнымзначениемудельнойобъемной проводимостииметодикатестирования этого диэлектрика на электризуемость под действиемэлектронного облучения в вакууме, в условиях близких к натурным условиямэксплуатации.4.

Предложена методика и продемонстрированы результаты тестовыхэкспериментовпоприменениюмодельногодиэлектрикавтиповомустройстве – мультивибраторе, а также доказано отсутствие влиянияповышенной проводимости диэлектрика на параметры функционированияэтого устройства.8Практическая значимость1. Разработан метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭАкосмических аппаратов к ЭСР, выполнена экспериментальная проверкаметода и внедрение метода в процесс проектирования и производствабортовой радиоэлектронной аппаратуры космической техники.2. Разработанарадиоэлектроннойоригинальнаяаппаратурыпечатнаякосмическихплатадляаппаратов,бортовойстойкаяквозникновению электростатических разрядов. Патент на полезную модельRU 114 816 U1 от 10.04.2012.

Патент на изобретение «Печатная плата длябортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов» RU 2 497319 C1 от 29.10.2013 года.3. Предложенный метод повышения устойчивости печатных узловБРЭА космических аппаратов к ЭСР используется при проектировании и ввиде выдачи 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.Результатыкомпьютерногомоделированияработытиповогоцифрового устройства - мультивибратора, в которых впервые показанапринципиальная возможность замены традиционных диэлектриков печатныхузлов цифровых схем диэлектриками, обладающими нанопроводимостью, атакже сравнение полученных результатов с экспериментом и влияние нахарактеристики мультивибратора повышенной проводимости диэлектрикапечатной платы.3.

Методика и результаты тестовых экспериментов по определениюэлектризуемости модельного диэлектрика под действием электронногооблученияввакууме,вусловияхблизкихкнатурнымусловиям9эксплуатации.Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работывнедрены в вариантах, адаптированных для выдачи ТЗ на проектирование иразработку печатных узлов БРЭА космической техники в НПО им.

С.А.Лавочкина.Апробация работы. Основные результаты диссертационной работыдокладывались и обсуждались на:– 19-23 Международных совещаниях и конференциях «Радиационнаяфизика твердого тела», г. Севастополь в 2009-2013 г.г.;– II Всероссийской научно-технической конференции «Системыуправления беспилотными космическими и атмосферными летательнымиаппаратами» 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, вт. ч.

3 статьи (из них 3 статьи в журналах перечня ВАК) и 10 тезисовдокладов и материалов конференций по итогам научных совещаний.Получены два патента: патент на полезную модель и патент на изобретение.Структура диссертационной работы. Диссертация состоит извведения, пяти глав, заключения и списка литературы содержащего 106наименований. Объем работы – 123 с.10Глава 1 Объёмная электризация космических аппаратов: историяисследований и современное состояние разработок1.1 Общие проблемы электризации КАКак уже отмечалось во введении развитие космической техникиотечественного производства идёт по линии создания целевых группировоккосмических аппаратов (КА) различного назначения: «Ямал» и «ЭкспрессМД» для спутниковой связи и телевещания, спутники-ретрансляторы «Луч»,глобальной системы навигации «Глонасс-М» и «Глонасс-К», научной сериималых космических аппаратов, космических аппаратов военного назначенияи др.

важных космических систем. Важнейшим критерием эффективноститаких группировок является обеспечение длительных сроков эксплуатациивходящих в них отдельных КА.В соответствии с этим обстоятельством Федеральным космическимагентством к конструкторским бюро отрасли предъявляются требования одоведении сроков активного существования (САС) создаваемых КА вближайшее время до 10 − 15 лет и более.Электризация КА, работающих на геостационарной орбите и навысокоэллиптических орбитах, привела к сбоям в работе и отказам системКА еще в конце 60-х годов прошлого столетия.

В то время многиеисследователи начали работать над проблемой электризации КА с цельюминимизации ее негативных последствий.Было установлено, что в магнитосфере Земли на ночной стороне КАприобретает отрицательный потенциал порядка единиц киловольт пригеомагнитных возмущениях (суббурях), вызванных вспышками на Солнце.К основным факторам, приводящим к электризации, следует отнестипотоки электронов и ионов околоземной космической плазмы, жесткоеультрафиолетовоеизлучениеСолнца,вакуум,термоциклирование.Воздействие перечисленных факторов на материалы внешней поверхности11космическогоаппаратавызываетобильнуювторичнуюэлектроннуюэмиссию и фотоэмиссию, температурное изменение электрофизическихпараметров материалов.

Все перечисленное особенно существенно длявысокоорбитальныхкосмическихаппаратоввовремясуббурьвмагнитосфере Земли. В результате происходит общее и дифференциальноезаряжениеповерхностикосмическогоаппарата.Общеезаряжениекосмического аппарата как единого целого не представляет особой опасностидля функционирования электроники космического аппарата. Можно лишьотметить некоторые проблемы со спектрометрами частиц и подобнойаппаратурой.Совсем иначе обстоит дело с дифференциальным заряжениемэлементов поверхности космического аппарата и объемным заряжениемполимерных диэлектриков его внешней поверхности.

В результате такогозаряжения возникают поверхностные и объемные электростатическиеразряды, которые вызывают обратимые и необратимые отказы бортовойрадиоэлектронной аппаратуры. Такое сильное воздействие разрядов наработу бортовой электроники обусловлено как параметрами разрядныхимпульсов, так и повышенной чувствительностью бортовой электроники кданнымвоздействиям.применениеинтеграцииэлементноймикросхем,Развитиебазы,космическойобладающейбольшимитехникипредполагаетповышеннойфункциональнымистепеньювозможностями,пониженным энергопотреблением, снижением массогабаритных параметров.Однако в той же степени растет чувствительность элементной базыэлектроники к воздействию электростатических разрядов.Источникамипомехдлябортовойэлектроникислужатэлектростатические разряды, а основными рецепторами помех являютсяфрагменты бортовой кабельной сети, проложенные по внешней поверхностикосмических аппаратов.Для повышения устойчивости космических аппаратов к факторамэлектризации необходимо снижать частоту и мощность электростатических12разрядов на поверхности космического аппарата путем примененияматериалов,обладающихпониженнойэлектризуемостью.Посколькуполностью исключить электростатические разряды не удается, необходимопроводить расчеты перекрестных помех в бортовой кабельной сети.

В этомслучае в технических заданиях на разработку электронных блоков будутзаложены величины помеховых сигналов, при которых эти электронныеблокидолжнысохранятьсвоюработоспособность.Такимобразом,изначально, при разработке БРЭА КА должно закладываться условиеработоспособности этой аппаратуры в условиях повышенного уровня помехот ЭСР.ФормированияпотенциальногорельефанаповерхностиКА,распределение электрического поля в окрестности аппарата, образованиеседловидных точек в его распределении и их влияние на заряжение какнеосвещенных, так и освещенных участков поверхностей, включая вопросычисленного расчета потенциального рельефа и его изменения во времени,подробно рассмотрены в литературе [1–6].Заряжение элементов КА в космической плазме происходит попричине значительного превышения электронного диффузионного тока надионным током. Величина плотности электронного тока в условияхнаихудшего случая достигает 10–9 А/см2.

При такой плотности тока времяэлектризации КА, имеющего типичные размеры шара с радиусом 2 м, допотенциала 10 кВ составляет всего 5 мс. Таким образом, общая зарядка КАпроисходит практически мгновенно.Дифференциальная зарядка заканчивается за значительно большиевремена, так как емкость единицы площади диэлектрического покрытия притолщине 100–300 мкм относительно корпуса достаточно велика ~ 10 пФ/см2.Время, необходимое для достижения потенциала поверхности диэлектрика10 кВ относительно корпуса, в этом случае, превысит 1000 с.Солнечная засветка приводит к полному разряжению металлическихповерхностей, однако, в диэлектрических материалах остаются объемные13заряды.