Диссертация (Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению ЭСР), страница 3

Часто именно этот аспект электризации приводит к возникновениюэлектростатических разрядов.Согласно[7],мощностьдозывысокоэнергетичныхчастицнагеостационарной орбите (ГСО) составляет в среднем 0,003 Гр/с. Еслиэлектропроводность диэлектрика внешней поверхности КА не превышает10–16 Ом–1см–1, то напряженность внутреннего электрического поля вдиэлектрике окажется выше 106 В/см и электрический пробой станет вполневероятным [8].Посколькубольшинствополитетрафторэтилен,полистиролидиэлектриков(полиимид,т.д.)дырочнымиявляютсядиэлектриками, подвижность электронов в них гораздо меньше подвижностидырок. И только в ПЭТФ и стекле возможна электронная проводимость. Длятаких материалов можно, в принципе, говорить об инжекционных токах [9],которые позволяют зарядам стекать из диэлектрика на металлическиеэлементы конструкции КА.В настоящее время проблема электризации внешней поверхности КАдо конца не решена.

До сих пор используются непроводящие клеи длясоединениямеждусобой достаточнопроводящихэлементов. Частопроводящие покрытия наносятся на диэлектрические материалы, но контрольметаллизациидолговременнойэтихпокрытийэксплуатациинедостаточенэтихдлясоединенийпрогнозированиябезнарушенияметаллизации.

До сих пор в руководящих документах имеется разрешение наиспользование элементов экранно-вакуумной теплоизоляции площадью до0,2 м2 без металлизации[10]. Углепластиковые конструкции изготавливаютпо устаревшей технологии, оставляя на поверхности изделий непроводящиенаплывы эпоксидной или полиэфирной смолы.

Внедрение новых материалови запрет на использование материалов, непригодных с точки зренияэлектризуемости, наталкиваются на бюрократические препоны.14Вместе с тем, на смену внешней электризации пришла электризациявнутренняя. Это в значительной степени обусловлено новым подходом кизготовлению КА без гермоконтейнеров для бортовой аппаратуры и сразрешением использования в составе КА элементной базы в пластмассовыхкорпусах. Не решив до конца первую проблему, мы всерьез столкнулись совторой.Отказ от гермоконтейнера дает возможность существенно уменьшитьмассу КА и более свободно выбирать его конфигурацию.

Например, еслимасса спутника «Глонасс-М» второго поколения составляет 1,5 тонны, то сотказом от гермоконтейнера в спутнике третьего поколения «Глонасс-К» егомасса составляет 940 кг, с перспективой уменьшения до 640 кг в следующихКА этой серии. Такими разработками являются продукция РКК «Энергия» спутники серии «Ямал» на основе универсальной космической платформы,разработки ОАО «ИСС» - космическая платформа серии «Экспресс 1000»,использованная на спутнике Глонасс третьего поколения Глонасс-К,проходящего в настоящий момент этап летно-конструкторских испытаний иплатформа «Навигатор» - базовый модуль служебных систем, разработанныйв ФГУП «НПО им.

Лавочкина», первое применение которого произошло наметеоспутнике Электро-Л №1, находящемся в штатной эксплуатации ипервом научном аппарате серии Спектр – Спектр-Р (международный проект«Радиоастрон»). На рисунке 1.1 приведена фотография сборки[11] КАГлонасс-К, на которой видно достаточно плотное размещение бортовойаппаратуры и кабельной сети её соединяющей космической платформы.Экспресс-1000, фактически защищенную от космического излучения толькоконструкциями сотопанелей и ЭВТИ:15Рисунок 1.1 Сборка КА Глонасс-К1 № 11 (Космос 2471) [11]Рассмотрим основные факторы внутренней электризации и основныезадачи сегодняшнего дня по устранению ее негативных последствий.

Нарисунке 1.2 приведена довольно удачная схема основных механизмоввнутренней электризации, заимствованная из [12].Рис. 1.2 Основные механизмы внутренней электризации [12]16Изприведеннойсхемывидно,чтоэлектроныоколоземнойкосмической плазы могут проникать сквозь корпус КА и накапливаться вдиэлектрическомдиэлектрикаматериалепечатнойпечатнойплатыплаты.возможныПритакомзаряженииэлектростатическиеразрядынепосредственно в токоведущие дорожки этой платы. Это непосредственнаяугроза активным элементам, распаянным к этим дорожкам.Поскольку полностью решить проблему проникновения потоковэлектронов через внешние и внутренние конструкции КА, рассчитать такоевзаимодействие и решить эту проблему без существенного увеличения массыкосмического аппарата невозможно, необходимо применить метод защитыдиэлектриковпечатныхузловбортовойаппаратурыотвнутреннейэлектризации, т.е.

накопления заряда. Для этого необходимо использоватьдиэлектрик, обладающий нанопроводимостью, т.е. проводимость которогопревышает 10-9 Ом-1м-1. Термин «нанопроводимость диэлектриков» былзаявлен в работе [13] коллектива авторов в 2003 году, и здесь указываеттолько на величину проводимости.

Развитию этой идеи посвящено данноедиссертационное исследование.Для более тонкого понимания явления внутренней электризации КАрассмотрим вопрос космической «погоды» и связанные с этим терминомпотоки высокоэнергетических электронов, способных проникнуть внутрькорпуса КА и привести к заряжению диэлектрических материаловэлектронных схем.1.2 Влияние околоземной космической «погоды» на электризациюКАФундаментальное значение в преодолении негативных факторовэлектризации имеют исследования, посвящённые выяснению особенностей17космической «погоды»,а именно, параметрам воздействияпотоковэлектронов в районах радиационных поясов Земли. Наибольшую угрозу дляфункционирования бортовой аппаратуры КА представляет радиация, котораясосредоточена в околоземном космическом пространстве в области радиусомоколо 65 тысяч км, удерживаемая магнитным полем Земли.

Даннуюгеомагнитную ловушку для заряженных частиц космического излученияназывают радиационным поясом (или поясами) Земли. Электроны с энергией100 кэВ и больше образуют в геомагнитной ловушке две зоны. Эти зоныполучили название внутреннего и внешнего естественного радиационногопояса Земли (ЕРПЗ) [14]. Между внутренним и внешним поясаминаблюдается зазор или провал в интенсивности потока электронов.Внутренний пояс располагается на высоте от 1000 км над поверхностьюЗемли до 13 000 км.

Выше 13000 км и примерно до 65000 км располагаетсявнешний радиационный пояс Земли с максимумом потока электронов(E > 40 кэВ) порядка 500 000 000 частиц/см2с на высоте около 16500 км.Радиационные пояса представляют собой непрерывно изменяющуюся,динамичную систему, состояние которой зависит от состояния солнечнойактивности и процессов, которые реализуются в настоящий момент вмагнитосфере Земли [14-16]. Экспериментальные данные указывают на то,что увеличение скорости солнечного ветра приводит к увеличению потокавысокоэнергичных электронов на границе магнитосферы, и усиливаетсядиффузия этих электронов внутрь радиационных поясов. Известно также, чтово внешней магнитосфере интенсивность потоков электронов и протоновможет изменяться в течение нескольких дней на несколько порядков [14].Связь интенсивности потоков электронов с солнечным ветром даётвозможность предсказывать изменения космической «погоды», заранеепрогнозировать «условия наихудшего случая» для функционирования БРЭА,так как солнечная активность, провоцирующая эти изменения, имеетциклический, повторяющийся характер.18Цикличность возрастания скорости солнечного ветра связана, в своюочередь, со следующими обстоятельствами.

Известно, что Солнце вращаетсявокруг своей оси таким образом, что в области экватора оно вращаетсябыстрее (период вращения около 25 суток), а на полюсах – медленнее(период вращения около 33 суток) [14]. Анализ данных со спутника «Радуга»(1977-1978) показал, что во временных рядах данных интенсивности потоковрелятивистских электронов содержится две основные гармоники. Однагармоника имеет период около 27 суток, другая – около 31 суток.Аналогичный анализ данных интенсивности потока электронов с энергиейболее 2 МэВ за период с 1986 г. по 1995 г. с КА «GOES» также позволилобнаружить две гармоники, но уже с периодами 26 и 30 суток.

Наличие этихдвух гармоник предполагает существование двух областей на Солнце,активность в которых определяет радиационные условия в околоземномпространстве. Первая область располагается вблизи экватора и совпадает собластью, где обычно наблюдается формирование солнечных пятен. Втораяобласть располагается в высоких широтах и совпадает с областьюкоронарных дыр на Солнце [14]. Таким образом, можно с достаточнойдостоверностью предсказывать ритмические перепады в плотности потоковэлектронов, особенно если учитывать ещё и суточные вариации.Для этой цели широко применяются полуэмпирические моделипотоков электронов, разработанные NASA (AE8 min, AE8 max) [17] иНИИЯФ МГУ.

Эти модели созданы на основе массива данных, собранных насерии научных спутников в 1960-80ые годы. Аппаратура по изучениюокружающей КА радиационной обстановки устанавливается по-прежнему,например IREM (Монитор измерения радиационной обстановки) на КАINTEGRAL,данныекоторогопоказываюткакпишутавторы[18]качественное, но не количественное, совпадение измерений и модели нарисунке 1.3:19Рисунок 1.3 Сравнение данных полученных с измерительных каналов IREM S14 (протоны– нижняя линия) и TC3 (электроны – верхняя линия) с моделью NASA AE8/AP8(прерывистые линии, нанесенные точками) [19]На основе этих моделей созданы различные программные пакеты,такие как SPENVIS (ЕКА), COSRAD (НИИЯФ МГУ), RADMODLS (NASA) идр., применение которых для расчета потоков электронов за определенноймассовой защитой в эквиваленте алюминия на нескольких вариантах орбитописано в работах [19,20,23]. Зависимость толщины стенок от энергии20электронов может быть посчитана по несколько модифицированной формулеФламерсфельда, предложенной авторами в [16]:X  0,11[ 1,0  22,4 EE  0,021 lg(100 E )  0,999], г / см 2пробег Х, г/см2; энергия электрона Е, МэВТакже глубина проникновения в алюминий (и в некоторые другиематериалы) электронов с заданными энергиями может быть посчитана спомощью программного комплекса ESTAR[17].

Пример расчета приводитсяв [12] и показан на рисунке 1.4:Рисунок 1.4 Зависимость глубины проникновения электронов в алюминий от ихэнергии. Следует заметить, что эффекты внутренней электризации будут наблюдаться дляпотоков с энергией больше 100 кВСледовательно, суть проблемы состоит в проникновении сквозьэлементыконструкцииикорпусовмикросхемпотоковэлектроновестественных магнитных поясов земли с энергиями от 100 кэВ до 2 МэВ, атакже т.н. «электронов-убийц» - немногочисленных частиц с энергиямибольше 2МэВ, защиту от которых, как и от высокоэнергетических протонов,в целом предусмотреть невозможно.