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   |   DOI: 10.18469/1810-3189.2024.27.2.69-76

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
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp