Диссертация (Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению ЭСР), страница 7

Впроцессеанализаопределяющимданныхнакоплениевыяснилось,чтоключевымзарядов,являетсяпараметром,объёмноеудельноесопротивление и связанное с ним время релаксации заряда, которое являетсяпроизведением объёмного удельного сопротивления и диэлектрическойпостоянной.Данные,собранныеНАСАдляосновныхматериалов,используемых при создании КА, показывают, что время релаксации зарядаварьируется от нескольких минут до 3 часов в процессе десятичасовоговоздействия «наихудших условий». На основании достигнутых результатовпланировались долгосрочные полёты.

Таким образом, постоянная временирелаксации заряда может иметь определяющее значение при выборематериала для конструирования КА. Но, как показали исследованияА.Фридерексона и его коллег ещё в 1992 году, данный параметр можетизменяться с течением времени. Другими словами, количественныепоказатели времени релаксации заряда могут быть различными в разныепериоды полёта.М.

Боде также получил данные, отличные от тех, которые приводятся вруководстве НАСА выпуска 1999 года. Эти данные остались без изменения ив руководстве НАСА 2011. Итак, М. Бодэ, используя результаты измеренийпотенциалов диэлектриков бесконтактным методом, на спутнике CRRESполучил иные количественные показатели. Постоянная времени для оксидаалюминия составила 21 час, для FR4 - 5 дней и 339 дней для тефлона, в товремя как в руководстве НАСА приведены значения 0,8 сек, 2,1 часа и 2,1днясоответственно[44].Этопоказывает,чтообъёмноеудельное39сопротивление диэлектриков, выдержанных длительное время в вакуумезначительно выше, чем в наземных экспериментальных измерениях. Впроцессе анализа проблемы «безопасного потока электронов», выясненияоптимальныхусловийработыаппаратурыиправильногоподбораматериалов, автор детально анализирует данные со специальных спутников,полученные за 20 лет наблюдений.

В частности, он отмечает недостаточность2,6 мм (Al) защиты для материалов с очень большой временной постояннойрелаксации (более 3 недель).Итоги исследования М.Бодэ состоят в утверждении безопасных границэксплуатации электронного оборудования на КА. Это напряжённостьэлектрического поля порядка 100-200 кВ/см или плотность заряда 6-20нКл/cм2. Далее, по мнению М.Бодэ, для эксплуатации оборудованиянаибольший риск представляют не максимальные (наихудшие) значенияплотности потока излучений в течение 24 часов, а электронные возмущенияменьшейплотности,нобольшейдлительности(месяциболее).Исследования воздействия наихудших условий за 10 или за 24 часа не даютвозможности оценить риски для длительных полётов.

Таким образом,толщина экрана в 2,6 мм алюминия не гарантирует успешную работуприборов, если постоянная времени релаксации заряда очень велика (сотничасов).ПроблемаэлектризацииКАостаётсявцентревниманияисследователей. Этой проблеме регулярно посвящаются международныеконференции.

Материалы международных конференций демонстрируютрасширение географии исследований. В ХХI веке проблему внутренней ивнешней электризации КА изучают в КНР, Индии, Японии [45,46] и даже вАргентине [47]. Естественно, что данный вопрос также находится в фокусевниманияевропейскогокосмическогоагентства–Европейскимобъединенением разработчиков стандартов для космоса (ECSS) выпускаютсядокументы,такиекакстандартECSS-E-ST-20-06C,посвященныйэлектризации КА[48]. Конечно, следует отметить, что по сравнению с40руководством НАСА он имеет более общий характер описаний явлений,однаконекоторыеразделыеготребованийужепредъявляютсяккосмическим аппаратам разработки ЕКА.Последняя конференции, посвящённая электризации КА, двенадцатаяпо счёту, была проведена в Китакиусуи (Япония) 14-18 мая 2012 (SpacecraftCharging Technology Conference).

Анализ докладов, представленных наконференцию, даёт возможность выделить перспективные направленияисследований в этой области. Ряд из них продолжает изучение проблем,которые ранее были под пристальным вниманием учёных, работающих вэтой области. В первую очередь необходимо отметить большое вниманиеисследователей к феномену космической погоды. Среди них выделяютсяработы японских и вьетнамских исследователейПо-прежнему фундаментальную роль играют натурные исследованияэлектризации в условиях космических полётов и последующий анализ иинтерпретация данных, полученных с КА. Выделим доклады, посвящённыеисследованиям на новых спутниках России и США[49, 50]В тоже время Г.Гэррат был одним из тех, кто открыл новую областьисследований – изучение явления электризации у других планет. Уже в 1980году он вместе с К.Пайком организует сборник «Космические системы и ихвзаимодействие с околоземным космосом» [51]В последующие годыГ.Гэрат изучает особенности космического излучения в окрестностяхСатурна, Юпитера и проводит сравнительный анализ степени электризацииу Земли, Юпитера и Сатурна [52] Для решения этой задачи он используетданныесоспутникаГалилео.Данноенаправлениеисследованийэлектризации КА получило развитие в 2012 году в виде доклада омоделированииэлектризацииврайонеЮпитераиокололунногопространства [53]Важность подобных исследований, которые имеют перспективныйхарактерирассчитанынабудущеепрактическоеиспользование,подчёркивается в США созданием специального подразделения НАСА [54].41Оно имеет своей целью «улучшение нашего понимания взаимодействияматериалов (КА) и космической среды» [54] В компетенцию даннойорганизации входит изучение космического окружения - погоды (климата) иеё воздействия на функционирование КА в межпланетном и околопланетномпространстве.

Сокращённое название этой группы учёных SENSE (spaceenvironment and spacecraft effects) организация. Данной организации приданытри группы технической поддержки (TWG) для создания научных продуктови распространения знаний способствующих лучшему функционирования КА.Технические группы имеют следующие наименования и соответственнонаправленностьдеятельности:«практикаэлектризации»,«эффектыкосмической среды» и «межпланетная космическая окружение». В центревнимания исследовательской группы внутренняя электризации, возникающаяв результате воздействия космической среды.Объектами вниманияуказанной организации являются разработка материалов соответствующихмежпланетнымкосмическимусловиямикомпьютерноеобеспечениямоделирования процессов существующих в межпланетном пространстве[54].1.4 Меры борьбы с поражающими факторами электризацииОдним из интересных направлений отечественных исследованийявляется поиски группой учёных снижения воздействия потока электроновна внутреннюю электризацию КА посредством защиты оборудования припомощи неорганических стеклообразных покрытий особого состава.Вкачестве средства для защиты от потока электронов была выдвинута идеяиспользовать для этой цели объёмный заряд, который может годамисохранятся в облученном неорганическом стекле.

Один из разработчиковданногоположенияВ.В.Цетлиндиссертацию«Взаимодействиедиэлектрикамиприменительнов1998годуэлектроновкрадиационнойзащитилсодокторскуюстеклообразнымизащитекосмическихаппаратов» [59] Несколько ранее вышла статья, написанная коллективом42авторов «Снижение дозы радиационного излучения за слоями заряжающихсядиэлектриков» [58] В ХХI веке исследования в этом направлении былипродолжены.Былпоставленвопрособособомвидематериалов,способствующих радиационной защите – «радиоэлектретах». [57-59].Дальнейшемуисследованияуказаннойпроблемыпосвященадиссертационная работа Махотина Д.Ю. «Эффекты накопления объёмногоэлектрического заряда в стеклообразных диэлектриках применительно кпроблеме радиационной защиты систем жизнеобеспечения космическихаппаратов» (2006) [62].Общая цель исследования указанного автора«изучение процессов поверхностной и объёмной электризации диэлектриковпри облучении заряженными частицами позволяет предвидеть возможныенегативные явления во время эксплуатации космического аппарата (КА) вусловияхвоздействиярадиационныхпоясовионизирующегоЗемли(ЕРПЗ)»[62].излученияВработеестественныхД.Ю.Махотинаподдерживается тезис о возможности использования такого явления какнакопления объёмного заряда в качестве защиты от потока электронов,ослабленияего мощности.

«Применение диэлектрических материалов,способных накапливать объёмный электрический заряд непосредственно вовремя полёта КА, может позволить повысить эффективность защиты, неувеличивая массу покрытий.» [62] В последние годы были синтезированымногокомпонентныеборо-исилико-фосфатныестёкла,способныевыполнять защитную функцию от излишней внутренней электризацииэлементов оборудования КА. Проведённые исследования и последующиерасчёты показали, что «наличие электрического поля объемного заряжения встеклянных покрытиях приводит к уменьшению поглощённой энергии засчёт дополнительного ослабления потока электронов. Наиболее эффективноослабляется мягкая часть спектра – до 50-70 %». [61,62] На жёсткую частьспектра подобная защита действует менее эффективно.Но, тем не менее, «проведённые исследования тонких образцов стёколпоказали, что после облучения на ускорителе электронов в них сохраняется43объёмный электрический заряд с напряжённостью поля порядка 1,5 МВ/смпри разности потенциалов 80-90 кВ, что приводит к уменьшениюкоэффициента прохождения на 10-12 %» [62]Ещё одно возможное направление совершенствования мер защитыоборудования КА от космического излучения и, соответственно, особый путьисследования данной проблемы содержится в работе Бабкина Г.В., ИвановаВ.А., Морозова Е.П.