Научные статьи \ Прикладные науки. Медицина. Технология \ Инженерное дело. Техника в целом \ Общее машиностроение. Ядерная технология. Электротехника. Технология машиностроения \ Электротехника

Методика испытаний бортовой аппаратуры на воздействие электростатических разрядов

Методика испытаний бортовой аппаратуры на воздействие электростатических разрядов

Автор: Демидов А.А., Пиганов М.Н.

Журнал: Физика волновых процессов и радиотехнические системы @journal-pwp

Статья в выпуске: 2 т.27, 2024 года.

Бесплатный доступ

Обоснование. Актуальность темы данной работы обусловлена необходимостью повышения достоверности и качества оценки устойчивости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к электростатическим разрядам.

Электростатический разряд, испытательное воздействие, бортовая аппаратура, «электронный прожектор», вакуумная камера, помехи

Короткий адрес: https://sciup.org/140304970

IDR: 140304970   |   УДК: 621.396+659   |   DOI: 10.18469/1810-3189.2024.27.2.69-76

On-board equipment testing procedure for the effects of electrostatic discharges

Background. The relevance of the topic of this work is due to the need to improve the reliability and quality of the assessment of the stability of the onboard electronic equipment of spacecraft to electrostatic discharges.

Текст научной статьи Методика испытаний бортовой аппаратуры на воздействие электростатических разрядов

В процессе эксплуатации космических аппаратов (КА) под влиянием солнечной радиации и заряженных частиц происходит электризация их поверхностей. При этом индуцируются электростатические заряды и могут возникать электростатические разряды (ЭСР). Это вызывает появление электромагнитных помех, которые могут негативно повлиять на работоспособность бортовой аппаратуры (БА), бортовых кабельных сетей и электронных компонентов. Влиянию этих факторов сильно подвержены КА с длительным сроком активного функционирования. В связи с этим для таких КА и БА на этапах экспериментальной отработки предусмотрены различные виды контроля и испытаний, в том числе на воздействие электростатических разрядов [1–4].

Ранее А.В. Костиным были проведены исследования по влиянию ЭСР на функционирование

БРЭА и бортовых кабельных сетей, а также предложены методика испытания с помощью ГЭР и меры защиты от полей (ЭМП), создаваемых разрядами.

Однако такие испытания не учитывают влияния многих факторов космического пространства, в частности глубокого вакуума. Это снижает достоверность результатов испытания и не позволяет определить реальные параметры электризации космического аппарата КА и бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА). В данной статье предлагается другой вариант испытаний – путем воздействия электронного потока в режимах «электронный прожектор» и «электронное сканирование».

Цель данной работы – исследование возможностей использования электронного потока в вакууме в качестве испытательного воздействия на бортовую радиоэлектронную аппаратуру при оценке ее стойкости к ЭСР.

[@^Н © Демидов А.А., Пиганов М.Н., 2024

Рис. 1. Макет прибора с указанием расположения антенн № 1 и № 2

Fig. 1. Layout of the device indicating the location of antennas No. 1 and No. 2

Рис. 2. Фотография макета

Fig. 2. Photo of the layout

1.    Описание объекта испытаний

В качестве объекта испытаний (ОИ) был использован макет радиоэлектронного устройства, который ранее исследовался на воздействие электростатического разряда с помощью ГЭР в атмосфере воздуха. За основу был взят макет, описанный в [5]. Он был конструктивно доработан с учетом размеров, схемы подключения, оснастки и электрофизических характеристик вакуумной камеры. Доработанный макет представляет собой модуль первого уровня с расположенными внутри корпуса антеннами № 1 и № 2 (рис. 1). На рис. 2 приведена фотография макета.

Антенны подключаются к высокочастотному соединителю со значением волнового сопротивления 50 Ом через коммутатор каждая по отдельно-

Рис. 3. Облучаемая плоскость образца во время проведения испытаний

Fig. 3. The irradiated plane of the sample during testing сти. Коммутатор выполнен на основе электромагнитных реле. Через высокочастотный соединитель к антеннам подключен цифровой осциллограф с помощью специального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом. Длина кабеля составляла 1 м.

2.    Методика эксперимента

В режиме «электронный прожектор» ОИ устанавливался в стойку на поворотном столе [6]. В вакуумной камере создается пониженное давление величиной до (5–8)·10–7 мм рт. ст. После этого

Таблица 1. Параметры ЭП в режиме «электронный прожектор». Антенна № 1. Эксперимент № 1

Table 1. Parameters of the EP in the «electronic spotlight» mode. Antenna No. 1. Experiment No. 1

№ п/п

Ускоряющее напряжение ИПЭ, кВ

Факт возникновения ЭСР

Характеристики помехи от ЭСР на осциллографе

Амплитуда напряжения на киловольтметре, кВ

Время саморазряда ОИ при максимальной зарядке, с

U н., В

U в., В

t ф. имп. , мс

f ЭСР, Гц

1

5

Нет

–

–

–

–

0–5

1

2

6

Нет

–

–

–

–

0–6

1

3

7

Нет

–

–

–

–

0–7

1

4

8

Есть

160

607,6

18

0,005

0–6

1

5

9

Есть

82

538

25

0,02

3–8

2

6

10

Есть

420

18

10

0,1

0–10

2

7

11

Есть

2

26

12

0,27

0–8

1

8

12

Есть

2

62

10

0,47

0–5

1

9

13

Нет

–

–

–

–

0–7

1

10

14

Нет

–

–

–

–

0–6

1

11

15

Нет

–

–

–

–

0–6

1

12

16

Нет

–

–

–

–

0–5

1

13

17

Нет

–

–

–

–

0–7

1

14

18

Нет

–

–

–

–

0–10

2

15

19

Нет

–

–

–

–

0–8

1

16

20

Нет

–

–

–

–

0–7

1

Таблица 2. Параметры ЭП в режиме «электронный прожектор». Антенна № 2. Эксперимент № 1

Table 2. EP parameters in the «electronic spotlight» mode. Antenna No. 2. Experiment No. 1

№ п/п

Ускоряющее напряжение ИПЭ, кВ

Факт возникновения ЭСР

Характеристики помехи от ЭСР на осциллографе

Амплитуда напряжения на киловольтметре, кВ

Время саморазряда ОИ при максимальной зарядке, с

U н., В

U в., В

t ф. имп. , мс

f ЭСР , Гц

1

5

Нет

–

–

–

–

0–5

1

2

6

Нет

–

–

–

–

0–6

1

3

7

Нет

–

–

–

–

0–7

1

4

8

Нет

–

–

–

–

0–4

1

5

9

Нет

–

–

–

–

0–5

1

6

10

Нет

–

–

–

–

0–10

2

7

11

Нет

–

–

–

–

0–6

1

8

12

Есть

0,6

0,6

500

0,003

0–5

1

9

13

Нет

–

–

–

–

0–7

1

10

14

Нет

–

–

–

–

0–5

1

11

15

Нет

–

–

–

–

0–6

1

12

16

Нет

–

–

–

–

0–6

1

13

17

Нет

–

–

–

–

0–6

1

14

18

Нет

–

–

–

–

0–12

1

15

19

Нет

–

–

–

–

0–10

2

16

20

Есть

3,6

16,4

100

0,003

0–8

1

Таблица 3. Параметры ЭП в режиме «электронный прожектор». Антенна № 1. Эксперимент № 2

Table 3. EP parameters in the «electronic spotlight» mode. Antenna No. 1. Experiment No. 2

№ п/п

Ускоряющее напряжение ИПЭ, кВ

Факт возникновения ЭСР

Характеристики помехи от ЭСР на осциллографе

U н., В

U в., В

t ф. имп. , мс

f ЭСР, Гц

1

5

Нет

–

–

–

–

2

6

Нет

–

–

–

–

3

7

Нет

–

–

–

–

4

8

Есть

346

122

100

0,005

5

9

Есть

82

538

50

0,02

6

10

Есть

10

130

7

0,1

7

11

Есть

82

538

30

0,27

8

12

Есть

154

230

40

0,47

9

13

Нет

–

–

–

–

10

14

Нет

–

–

–

–

11

15

Нет

–

–

–

–

12

16

Нет

–

–

–

–

13

17

Нет

–

–

–

–

14

18

Нет

–

–

–

–

15

19

Нет

–

–

–

–

16

20

Нет

–

–

–

–

Таблица 4. Параметры ЭП в режиме «электронный прожектор». Антенна № 2. Эксперимент № 2

Table 4. EP parameters in the «electronic spotlight» mode. Antenna No. 2. Experiment No. 2

№ п/п

Ускоряющее напряжение ИПЭ, кВ

Факт возникновения ЭСР

Характеристики помехи от ЭСР на осциллографе

U н., В

U в., В

t ф. имп. , мс

f ЭСР , Гц

1

5

Нет

–

–

–

–

2

6

Нет

–

–

–

–

3

7

Нет

–

–

–

–

4

8

Нет

–

–

–

–

5

9

Нет

–

–

–

–

6

10

Нет

–

–

–

–

7

11

Нет

–

–

–

–

8

12

Есть

2,3

26,9

100

0,003

9

13

Нет

–

–

–

–

10

14

Нет

–

–

–

–

11

15

Нет

–

–

–

–

12

16

Нет

–

–

–

–

13

17

Нет

–

–

–

–

14

18

Нет

–

–

–

–

15

19

Нет

–

–

–

–

16

20

Есть

1,6

1,6

100

0,003

Таблица 5. Параметры помех в двухпроводной линии

Table 5. Interference parameters in a two-wire line

Напряжение на контактном наконечнике, кВ Амплитуда напряжения, В Фронт, нс Длительность, мкс 5 –28 +30 2,5 1 10 –58 +60 2,5 5 15 –80 +84 2,5 6 20 –104 +114 2,5 6 устанавливается ускоряющее напряжение от 5 до 20 кВ и ток пучка электронов величиной порядка 30 мкА. Производится облучение заданных поверхностей исследуемого образца. На рис. 3 стрелками показаны облучаемые поверхности. Время воздействия электронного потока при каждом значении ускоряющего напряжения составляло не менее 10 мин. Напряжение измеряли киловольт-

метром. Для измерения поверхностных и наведенных помех использовался цифровой осциллограф с полосой пропускания 500 МГц.

3. Результаты эксперимента

В таблицах 1–4 приведены основные параметры электронного потока (ЭП) в режиме «электронный прожектор» и характеристики помех от ЭСР,

Рис. 4. Схема (физическая модель) формирования помех в цепях бортовой аппаратуры КА

Fig. 4. Scheme (physical model) of interference generation in circuits of on-board spacecraft equipment

Рис. 5. Осциллограмма импульса помехи

Fig. 5. Oscillogram of the interference pulse а в таблице 5 – параметры помех в двухпроводной линии ОИ.

4 . Исследование и анализ помех

Была использована схема формирования помех, приведенная на рис. 4 [5]. Расчет помех проводился по методике [7].

Осциллограмма импульса помехи от ИЭП приведена на рис. 5. На рис. 6 показан вид помехи от ГЭР.

Как видно из рис. 5 и 6, вид помехи от ИЭП похож на помеху от ГЭР. Параметры этих помех также близки. Это позволяет для анализа помех

от ИЭП и их расчета использовать в первом приближении математические выражения, которые ранее использовались для описания помех от ГЭР.

Заключение

Таким образом, предложенная методика испытательного воздействия на бортовую радиоэлектронную аппаратуру на базе вакуумной камеры обладает следующими свойствами:

  • –    обеспечивает 4 степени жесткости испытаний;

  • –    имеет удобное рабочее место для проведения испытаний;

Рис. 6. Вид помехи от ГЭР

Fig. 6. Type of interference from GER

– дает возможность формирования испытательного воздействия в двух режимах: «электронного прожектора» и «сканирования»;

– формирует испытательное напряжение в диапазоне от 5 до 20 кВ; время воздействия на каждом ускоряющем напряжении составляет не менее 10 мин;

– формирует разрядный ток величиной до 30 мкА; энергия частиц электронов изменяется от 5 до 50 кэВ;

– создает рабочее давление в вакуумной камере до 10–7 мм рт. ст.;

– методы и средства измерения параметров имитатора соответствуют общепринятым требованиям;

– обеспечивает поворот ОИ на угол от 0 до 270°;

– не оказывает электромагнитного воздействия на оператора и окружающее оборудование.

Методика и средства ее реализации соответствуют основным требованиям ГОСТ Р 51317.4299 «Устойчивость к электростатическим разрядам» и может быть использована при наземных испытаниях бортовой аппаратуры КА [8].

Список литературы Методика испытаний бортовой аппаратуры на воздействие электростатических разрядов

  • Наседкин А.В., Тюлевин С.В., Пиганов М.Н. Методика производственных испытаний электронных узлов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национального исследовательского университета). 2012. Т. 11, № 7 (38). С. 76-84. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20419629.
  • A. V. Nasedkin, S. V. Tyulevin, and M. N. Piganov, "Method of production testing of electronic parts", Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering, vol. 11, no. 7 (84), pp. 76-84, 2012, doi: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20419629. (In Russ.).
  • Куликов А.В. Методы контроля и измерений составных частей бортового радиотехнического комплекса // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2023. Т. 26, № 3. С. 32-39. DOI: 10.18469/1810-3189.2023.26.3.32-39 EDN: YIHMZZ
  • A. V. Kulikov, "Methods of control and measurements of components of the onboard radio engineering complex", Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 26, no. 3, pp. 32-39, 2023, (In Russ.). DOI: 10.18469/1810-3189.2023.26.3.32-39 EDN: YIHMZZ
  • Быков А.П. Алгоритм проведения автономных испытаний радиоэлектронных средств // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2020. Т. 23, № 3. С. 97-104. DOI: 10.18469/1810-3189.2020.23.3.97-104 EDN: RFOHOC
  • A. P. Bykov, "Algorithm for conducting autonomous tests of radio electronic means", Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 23, no. 3, pp. 97-104, 2020, (In Russ.). DOI: 10.18469/1810-3189.2020.23.3.97-104 EDN: RFOHOC
  • Костин А.В. Анализ теплового влияния двух внешних параллельных печатных проводников плат, установленных на металлическое основание и работающих в условиях космического вакуума, друг на друга // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2023. Т. 26, № 4. С. 38-47. DOI: 10.18469/1810-3189.2023.26.4.38-47 EDN: TBCKAV
  • A. V. Kostin, "Analysis of the thermal effect of two external parallel printed circuit board conductors set on a metal base and operating in a space vacuum on each other", Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 26, no. 4, pp. 38-47, 2023, (In Russ.). DOI: 10.18469/1810-3189.2023.26.4.38-47 EDN: TBCKAV
  • Костин А.В., Пиганов М.Н. Методика измерения помехи в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электромагнитным полем электростатического разряда // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2015. Т. 17, № 2 (4). С. 804-810. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metodika-izmereniya-pomeh-v-tsepyah-bortovoy-apparatury-komicheskih-apparatov-vyzvannyh-elektromagnitnym-polem-elektrostaticheskogo?ysclid=lwi348j2ys403509534.
  • A. V. Kostin and M. N. Piganov, "Methodology for measuring interference in the circuits of on-board equipment of spacecraft caused by the electromagnetic field of an electrostatic discharge", Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk, vol. 17, no. 2 (4), pp. 804-810, 2015, url: https://cyberleninka.ru/article/n/metodika-izmereniya-pomeh-v-tsepyah-bortovoy-apparatury-komicheskih-apparatov-vyzvannyh-elektromagnitnym-polem-elektrostaticheskogo?ysclid=lwi348j2ys403509534. (In Russ.). EDN: UMEJIL
  • Демидов А.А., Кудашов Е.В., Пиганов М.Н. Стенд для испытания бортовой аппаратуры на воздействие заряженных частиц // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всероссийской научно-технической конференции. 2022. С. 95-96. URL: item.asp?id=48549439. EDN: YLVSPH
  • A. A. Demidov, E. V. Kudashov, and M. N. Piganov, "Stand for testing on-board equipment for the effects of charged particles", Aktual'nye problemy radioelektroniki i telekommunikatsiy: mater. Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii, pp. 95-96, 2022, url: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48549439. (In Russ.).
  • Костин А.В., Пиганов М.Н. Расчет помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электростатическим разрядом // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14, № 4 (5). С. 1376-1379. URL: http://www.ssc.smr.ru/media/journals/izvestia/2012/2012_4_1376_1379.pdf.
  • A. V. Kostin and M. N. Piganov, "Calculation of interference in the circuits of on-board equipment of spacecraft caused by electrostatic discharge", Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk, vol. 14, no. 4 (5), pp. 1376-1379, 2012, url: http://www.ssc.smr.ru/media/journals/izvestia/2012/2012_4_1376_1379.pdf. (In Russ.). EDN: QBPFXT
  • ГОСТ Р 51317.42-99. Устойчивость к электростатическим разрядам. ИПК Издательство стандартов, 2000. 33 с.
  • GOST R 51317.42-99. Resistance to electrostatic discharges. IPK Izdatel'stvo standartov, 2000. 33 p. (In Russ.).
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp