Диссертация (Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению ЭСР), страница 4

Их воздействие может привести ккритическим отказам.21Дляэтогонеобходимоиспользоватькорпуса,столщинойучитывающей возможность воздействия на них потоков электронов с такойэнергий, как например сделано на блоке аппаратуры АРН – вычислителяаппаратуры радионавигации, показанного на рисунке 1.5 [22], усилениезащиткорпусовмикросхемврадиационно-стойкомисполнениииобязательная разработка защитных алгоритмов на уровне программногообеспечения – т.е., необходимость разработки логики и архитектурыфункционирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры с учетом отказаее компонентов на уровне каждой микросхемы, а не только узлов в целом.Такой подход к решению отказов на алгоритмическом уровненеобходим в случае невозможности защитить чувствительные элементыприборов – это, к примеру, ПЗС-линейки звездных датчиков. Единичныечастицы, преодолев защитное стекло, вносят искажения в картинку, котораядолжна быть неподвижной.

Пример таких помех можно увидеть в работе [21]Т.В. Кондратьевой о приборе БОКЗ (блок определения координат звездный),посвященной испытаниям приборов для автоматической координации КА позвездам. Эти помехи, вызванные воздействием факторов космическогопространства, представлены на рисунке 1.6.22Рисунок 1.5 Корпус блока вычислителя аппаратуры радионавигации [22]Рисунок 1.6 Кадр, зарегистрированный после солнечной вспышки 14 июля 2000 г.прибором БОКЗ, установленным на геостационарном спутнике «Ямал-100»23В отличие от проблем, вызываемых протонами и решаемых в разделеприкладнойнаукипосвященнойрадиационно-стойкимматериалам,внутренняя электризация вызывается электронами.

Как отмечено в статье[14], на геостационарной орбите основным источником являются электроныЕРПЗ и их тормозное излучение. Существенный вклад в «климат» на такойорбите осуществляют потоки частиц солнечных космических лучей (СКЛ).При этом необходимо учитывать и влияние потоков галактическихкосмических лучей (ГКЛ). В тоже время, по мнению авторов, «алюминиеваяпластинка толщиной 0,01 г/см2 практически полностью поглощает всепротоны ЕРПЗ на ГСО. По этой причине, также как и на орбите КАГЛОНАСС, потоками протонов ЕРПЗ можно полностью пренебречь» [14]Уменьшают риск объёмной электризации в результате воздействияпотока электронов экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ). Наружныйматериал ЭВТИ «непосредственно взаимодействует с космической плазмой иподвергаетсяэлектроноввоздействиюЕРПЗ.Этоинтенсивныхможетпривестипотоковквысокоэнергичныхобразованиюобъёмногоэлектрического заряда внутри диэлектрического материала».

А это в своюочередь нередко приводит к электрическим разрядам. Электромагнитноеизлучение, сопутствующее разрядам может вывести из строя бортовоеэлектронное оборудование. Предотвратить такой ход события можетметаллизацияповерхностидиэлектрическогоматериала.«Слойметаллизации толщиной порядка 0,1 мкм обеспечивает сток объёмныхэлектрических зарядов из полимерной плёнки на корпус КА. Сток зарядовобеспечивается за счёт радиационной электропроводности полимера» [15]Подрадиационнойэлектропроводностьюпонимаютразностьмеждусуммарной измеренной электропроводностью при наличии ионизирующихизлучений и исходной электропроводностью полимерного слоя.

«Следуетотметить, что сильное влияние на уровень электризации оказываютнелинейныесвойстварадиационнойэлектропроводностиполимерногослоя»[15] В заключение своей статьи авторы ещё раз подчёркивают роль24скорости солнечного ветра для активации электронов ЕРПЗ. Скоростьсолнечного ветра может достигать 400 км/сек и выше (400 км/сек – 1 млн.440 тысяч км/час) Для успешной защиты бортовой электронной аппаратурыавторы советуют учитывать все факторы космических излучений. Подводититог исследованиям радиационной электропроводности при воздействии наКА обзорная статья коллектива ВНИИЭМ [68]Постоянной наблюдение за «космической погодой» продолжаются и понастоящий момент.

За это отвечают спектрометры - измерители потоковэлектронов разных энергий, размещаемые на научных, метеорологических испутниках связи. Это как метеоспутники системы GOES (GeostationaryOperational Environmental Satellite - геостационарный спутник наблюденияокружающей среды) – в настоящий момент это GOES 13 и 15, данные скоторых доступны для всех исследователей в режиме реального времени [24]для обработки, сравнения потоков[34] и необходимых выводов длякорректировки работы КА на орбите. Такие же измерения проходят на КАЭлектро-Л при помощи аппаратуры СКЛ разработки ИКИ РАН [25,26] иэксперимент Плазма-Ф на космической обсерватории Радиоастрон – КАСпектр-Р, данные с которых также доступны как в виде массивов значенийна серверах НИИЯФ МГУ в сети интернет, так и в графическом виде как нарисунке 1.7, на сайте Института прикладной геофизики имени академикаЕ.К.

Федорова [26].Такимобразом,воздействиевнешнейкосмическойсредынафункционирование КА связано с активностью радиационных поясов Земли,излучений,генерируемыхсолнцем,игалактическимкосмическимизлучением. Естественно, что изучение космической «погоды» было иостаётсяважнейшимнаправлениемисследований,способствующихнейтрализации негативных последствий действия различного рода излученийв космосе на работу КА. Это касается как определения количественныххарактеристик, например интенсивности потока электронов, так и выявлениямеханизмов усиления излучений разного рода в околоземном пространстве.25Рисунок 1.7 Данные СКЛ во время вспышки на Солнце 7-9 марта 2012 года[26]261.3 Внутренняя электризация космических аппаратовВ отечественной науке изучение воздействия космического излучениянаматериалыиэлектронноеоборудованиекосмическихаппаратовдатируется началом 60-х годов ХХ века.

Они были организованы в НИИЯФМГУ в Лаборатории ядерных реакций по просьбе С.П.Королёва. С.П.Королёвобратился к директору указанного института, академику С.Н. Вернову спросьбой выявить наиболее стойкие к воздействию космической радиацииматериалы для терморегулирующих покрытий.

С течением времени кругисследовательских задач значительно расширился, и основной темой сталоизучение электризации КА. В 1965 в НИИЯФ была создана Лабораториякосмического материаловедения (ЛКМ) под руководством А.И.Акишина.Исследования в ЛКМ осуществлялись по следующим направлениям:разработканаучнокосмическихобоснованныхкорпускулярныхметодовизлученийимитациинавоздействияматериалыиэлементыоборудования КА и исследование их радиационной стойкости; разработкаметодов имитации воздействия на материалы ионосферной плазмы ипроведениесоответствующихформированиясобственнойиспытаний;внешнейисследованиеатмосферы,еёпроцессоввоздействиянаматериалы и элементы оборудования, находящиеся на внешней поверхностиаппарата; разработка методов имитации потоков космической пыли иизучение воздействия таких потоков на материалы [27].

Как видно изформулировок основных направлений, значительное место в исследованияхЛКМ уделено проблемам электризации оборудования КА, то есть внутреннейэлектризации.Первыерезультатыизученияпроблемвоздействиякосмического излучения были отражены в публикациях того времени [28]. Вобобщенной форме итоги первого этапа изучения воздействия космическогоизлучения на элементы КА подведены в докладе А.И.Акишина [29].Вчислепервыхотечественныхпубликаций,посвящённыхэлектростатическим разрядам в объеме некристаллических диэлектриков,27была и статья сотрудников Томского политехнического университета.

В 1976году был предложен критерий оценки плотности тока заряженных частиц,при которой возможна потеря электрической прочности среды вследствие еёрадиационной электризации [30]. По расчётам В.А.Стародубцева, для многихдиэлектрических материалов значение критической плотности тока лежит винтервале 0, 1 – 1 нА см2 [31].С начала 80-х годов, в связи с использованием спутников нагеостационарной орбите, обнаружились совершенно новые типы отказовэлектронной техники и аномалий в работе аппаратуры на борту КА.

Этопотребовало интенсификации исследований воздействия космическогоизлучениянаэлементыоборудованиякосмическихкораблей.Былиразработаны новые методы исследований, а также была создана физикоматематическая модель электризации. Эта работа была осуществлена подруководством Л.С. Новикова и В.Н.

Милеева. Существенное развитиеполучили методы имитации воздействия космического излучения вэкспериментальных условиях. Результаты работы по совершенствованиюметодов изучения и соответствующей аппаратуры обобщены в рядепубликаций [22-32]. Электризация диэлектрических материалов КА можетвызываться также электронами радиационного пояса Земли с характернымиэнергиями 1-10 МэВ. Электроны с такими энергиями проникают вдиэлектрик на глубины до 1 см, создавая внедрённый электрический заряд.Это явление называется объёмной электризацией КА, в отличие от случаевповерхностнойэлектризации,обусловленнойвоздействиемнаКАмагнитосферной плазмы, частицы которой могут проникнуть в диэлектрик наглубину 10-20 мкм [27].

В результате длительных и многочисленныхлабораторныхэкспериментов,выполненныхА.И.Акишинымссотрудниками, стало возможным установить основные закономерностиявления объёмной электризации, провести классификацию наиболее частоиспользуемых в конструкции КА диэлектрических материалов по уровнюнакопленияобъемногозаряда,предложитьметодыпредотвращения28объемной электризации и вызываемых ею электрических разрядов [27]. Быливычисленытакжепороговыезначенияфлюенсаэлектронов,соответствующие началу возникновения электрических разрядов. Интересно,что в лабораторных экспериментах пороговые значения составили 1013-1014электронов/см2, в то время как в космических условиях данный порогсоставил 1010- 1011 электронов/см2Исследования электризации космических аппаратов, первоначальноосуществляемые в НИИЯФ и на физическом факультете МГУ, впоследствиисталипроводитсяивдругиеисследовательскихорганизацияхиучреждениях, в том числе в МИЭМ.

Важную роль в этом сыгралаорганизация в МИЭМ соответствующих специализаций ещё в 1971 году, азатем и кафедры «Материалы электронной техники». Весьма полезным былоиздание коллективом авторов руководства для конструкторов [35].Начало достаточно массовому исследованию проблемы внутренней ивнешней электризации КА в США было положено в конце 70-начале 80 г.г.ХХ века.