Диссертация (Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению ЭСР), страница 8

[63]. Авторы отмечают актуальность поиска новых мерзащиты от электростатических зарядов и приводят примеры выхода из строядорогостоящих спутников в результате указанного явления (например,японский спутник «Эхо»). Не отрицая возможностей других подходов крешению проблемы внутренней электризации, они считают, что необходимоприменять активные газоплазменные методы защиты КА. В качествевозможного кандидата на роль нейтрализатора заряда от потока электроновпредлагаютсяэлектроотрицательныегазы(ЭОГ)дляподавленияэлектростатических разрядов, обусловленных внутренней электризациейизделий. Типичным представителем этой группы газов является гексафторидсеры SF 6 .

Этот газ успешно используется в высоковольтных переключателях.Для проверки своих предположений авторы исследования провели рядэкспериментов.Сцельюпроверкивыдвинутогопредположенияовозможнойантистатической эффективности ЭОГ, в частности, элегаза, для защиты отразрядов в бортовой радиоэлектронной аппаратуре КА, обусловленных еевнутренней электризацией, в ЦНИИ машиностроения был проведен циклэкспериментовсзарядкойразличныхдиэлектрическихиметалл-диэлектрических образцов электронным пучком (энергия электронов 20 - 30кэВ, плотность тока ~ 10-8А/см2) в разреженной среде газов, в том числе ЭОГ,при их давлении в рабочей камере 10-4 - 10-3 мм.рт.ст.

В качестве образцовиспользовались пленки полиэтилена, полиэтилентерефталата и лавсана наметаллической подложке, а также типовые печатные платы с микросхемами[63].44Показано, что в среде SF 6 при давлении около 10 -4 мм. рт. ст. потенциалобразцов значительно снижался (до ~ 50%), а частота следования разрядовуменьшалась более чем на порядок, при этом оставшиеся редкие разрядныеимпульсы были в 2 - 3 раза слабее первичных по амплитуде. Менеезначительное и менее устойчивое антистатическое действие оказывал такжевоздух,всоставекоторогоприсутствуетэлектроотрицательныйгазкислород; практически никакого воздействия не оказали другие газы (N 2 ,Ar), взятые для сравнения.

Безусловно, что предложенный способ защиты отнегативного влияния потока электронов на бортовую аппаратуру нуждается внатурных испытаниях в космосе. Но, тем не менее, данный подход можетрассматриваться в качестве одного из направлений поисков путейнейтрализациифакторов,вызывающихвнутреннююэлектризациюэлементной базы КА.Также существует подход, согласно которому можно избежатьнакопления заряда от потока электронов в объеме диэлектрика путемповышения его радиационной электропроводности.

В русле этого подходаосуществлялись исследования А.Б.Соколова, которые были обобщены в егодокторскойдиссертации«Обеспечениерадиоэлектронной аппаратуры космическихстойкостибортовойаппаратов к воздействиюэлектростатических разрядов» (2009) Важную роль в исследованияхА.Б.Соколова, А.П. Тютнева [64-66] играет развитие теории радиационнойэлектропроводимости полимеров внешней поверхности КА и на этой основесформулирован принцип минимальной радиационной электропроводности(МРЭ), что в свою очередь даёт возможность расчёта электрических полей вЭВТИ.

[66] Автор исследования приводит также параметры электрическихразрядовнакосмическихаппаратах.«Основныехарактеристикиэлектрических зарядов на КА следующие: разность потенциалов до 20 кВ; токи разрядов до 100 А ; длительность фронта ЭСР от 10-9 до 10-7 с ; длительность ЭСР от 10-7 до 10-6 с;45 энергия ЭСР до 0,2 Дж; частота разрядов до 10 Гц.При типовой длительности разряда и его фронтов длина излучаемыхэлектромагнитных волн составляет 3-300.[67] В диссертации А.Б.Соколовасобраны данные об электризации элементной базы БРЭА под воздействиемизлученийЭСР.электромагнитнымиВпринципе,импульсамипоглощённаяможетиметьэнергияииндуцируемаядругойисточникпроисхождения.

Итак, при поглощённой энергии 10-7-10-8 Дж появляютсясбои в работе БРЭА, при энергии 10микроволновых смесителях, при-7Дж происходит выгорание диодов вэнергии 10 -6 Дж наблюдаютсясбои вработе или выгорание линейных интегральных схем, при энергии 10-5 Дж –сбои в работе и выгорание маломощных транзисторов и интегральных схемна биполярных транзисторах, при энергии10-4 Дж повреждениятранзисторов средней мощности, конденсаторов и диодов».Рассматривается два основных пути выхода из строя аппаратуры КА.Первый – в результате электромагнитных излучений, которые являютсяследствием поверхностного ЭСР. И второй – в результате объёмнойэлектризацииэлементнойбазыБРЭА.«Какпоказалимодельныелабораторные исследования и исследования, проведённые в натурныхусловиях эксплуатации КА, - отмечает автор, - поверхностные ЭСРвозникают, когда напряжённость электрического поля между элементамиповерхности КА достигает значения 107 В/м, или когда разность потенциаловмежду металлическим проводником и заряженным диэлектриком превышает500 В.

Объёмные ЭСР возникают, когда напряжённость электрического поляв объёме диэлектриков превышает уровень 2·107 В/м». [67] В нейпоследовательно отслеживается определённая взаимосвязь меду этими двумявидами разрядов и сформулировано положение о целостном подходе кпроблеме электризации КА.Ещё одним направлением в изучении электризации КА с цельюнейтрализации её негативных последствий является создание новых46материалов для элементной базы бортовой аппаратуры, в частности,материалов для электронных печатных плат. В связи с этим предложенановаяконцепциязащитысовременныхкосмическихаппаратовотпоражающих факторов электризации – концепция «нанопроводимостидиэлектриков» в дополнение к предыдущей «клетке Фарадея», которая суспехом использовалась для создания защиты от поражающих факторовэлектризации бортовой радиоэлектронной аппаратуры КА предыдущегопоколения.

По сути, это использование не радиационной, а темновойэлектропроводности для защиты применяемых диэлектриков. В основупредложенной концепции положено требование, ограничивающее применениев КА диэлектрических материалов спроводимостьюнижезначения10-9 Ом - 1м-1. Выполнение этого требования обеспечит сток зарядов изобъема диэлектриков без электростатических разрядов, и, таким образом, создастадекватную защиту КА [14]. Дальнейшее развитие изучения радиационнойэлектропроводности было изложено в работе А.П. Тютнева и авторов [68],посвященной квалификации материалов для составных частей КА на егоповерхности.В заключении анализа подходов к исследованию факторов внутреннейэлектризации КА и путей её нейтрализации в исследованиях и практикиконструирования, можно выделить несколько важных моментов, на которыеделают акценты учёные и создатели космических кораблей. Первое, чтообращает на себя внимание – это создание разного рода руководств наосновании работ американских и отечественных учёных и мирового опыта,цель которых – донести до специалистов-практиков результаты научныхдостижений.

В работу над такими руководствами вовлечены десятки и сотниучёных, специалистов в узких областях исследований. Второй момент, накотором хотелось бы остановиться, это экранирование спутников иправильный подбор материалов, из которых изготавливаются электронныеплаты и кабели, из которых, в свою очередь, создаётся аппаратура КА. Дляполучения всесторонней информации о поражающих факторах космических47излучений и их воздействии на материалы КА, в США и России развёрнутымногочисленныеисследования.Проводитсяэкспериментальноетестирование и определение характеристик материалов на Земле исоответствующее математическое моделирование процессов, которые могутиметь место в космосе.

Но более важны, как показали многие исследователи,натурные испытания и определения различных параметров материалов вреальном космическом полёте. При этом довольно интересными изначимыми оказались результаты длительных исследований воздействиякосмическихизлученийнагеостационарныхаппаратах,которыепродолжались 5, 10 и даже немногим более 20 лет. Испытания материалов вусловияхреальногоколичественныхполётапозволилихарактеристиках,получитьиспользуемыхновыевданныеокосмонавтикематериалов. Особенно поучительной является история изучения удельногообъёмного сопротивления и постоянной времени релаксации заряда.Оказалось,чтозначениеудельногообъёмногосопротивленияи,соответственно, временная постоянная в космосе отличаются от тестовыхзамеров на Земле, и причём очень существенно, в разы, как это имеет местопри снижении радиационной электропроводности полимеров с наборомдозы облучения [64].

Результаты проведенных испытаний очень важны дляотбора материалов, пригодных для длительной эксплуатации в составе КА.В 21 веке значение космических аппаратов самого различногоназначения существенно возросло. В настоящее время во втором десятилетии21 века от успешного функционирования спутников зависит не толькомобильная связь, прогноз погоды, передача телевизионного сигнала ивыполнениеоборонныхкоммуникациисовременныедлязадач.многихжителейнавигационныефункционированиефинансовыхсистемы банковской оплатыКАсталиЗемли,важнейшимширокосистемы,спутникисетей,поддерживаютспособомиспользуютсяосуществляютмеждународныеи ещё многое другое.

Выход из строя48спутников, потеря с ними связи, всевозможные отказы в работе БРЭАпарализуют те или иные сегменты экономики, приносят огромные убытки.Естественно поэтому, что изучение электризации КА, особенно внутреннейкак наиболее частой причины выхода КА из строя остаётся актуальной темойисследований во многих странах мира.В числе перспективных направлений исследований по-прежнемуостаётся разработка более совершенных методов тестирования элементнойбазы электронной аппаратуры, усложнение методов экспериментальноговоспроизведения ситуации «наихудших условий» на геостационарныхорбитах, совершенствование материалов из которых сделаны электронныеплаты, специально изучается воздействиетемпературы (в том числесверхнизких) на оборудовании КА.

Расширились география исследованийвнутренней и внешней электризации. Если раньше в ХХ веке это были восновном США и Россия (СССР), то во втором десятилетии ХХI века странучастников изучения проблем электризации стало намного больше. Сталирегулярнопроводитьсямеждународныеконференции,посвящённыевнутренней и внешней электризации КА. Существенную роль в указаннойобласти исследований играет изучение именно внутренней электризации.Таким,образом,можносформулироватьцельизадачидиссертационного исследования.Целью диссертационной работы является повышение устойчивостикосмической бортовой аппаратуры к поражающим факторам внутреннейэлектризации 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.