Проблемы обеспечения надежного функционирования современных космических аппаратов в условиях дестабилизирующего воздействия факторов космического пространства и факторов техногенного характера

Основной эксплуатационной характеристикой любой спутниковой системы является ее долговечность, т. е. способность выполнять поставленные целевые задачи в течение требуемого срока активного существования (САС) всеми входящими в ее состав космическими аппаратами (КА).

В состав современного КА входят сотни радиоэлектронных блоков, оптических устройств и рабочих поверхностей, тысячи элементов конструкции и кабельных сборок. Весь этот технический комплекс должен функционировать в течение длительного САС (до 15 лет) в условиях негативного воздействия космической среды.

В процессе натурной эксплуатации КА подвергаются воздействию широкого спектра факторов космического пространства (ФКП) и факторов техногенного характера (ФТХ). Анализ результатов эксплуатации КА отечественного и зарубежного производства показывает наличие значительной степени корреляции случаев аномальной работы КА с вариациями солнечной активности, геомагнитной возмущенностью космической среды, а также техногенными условиями эксплуатации КА.

Так, по заключению Федерального космического агентства и Космических войск «…Одним из главных факторов, влияющих на стабильность характеристик и надежность бортовой радиоэлектронной аппаратуры, является ионизирующее излучение космического пространства.

По имеющимся данным, на долю данных эффектов приходится до 30…50 % отказов бортовой радиоэлектронной аппаратуры [1], а обеспечение требуемой стойкости является одной из важнейших задач создания КА с длительными САС 10–15 лет, предусмотренных Федеральной космической программой России» [2].

Исследования, проведенные NASA и ВВС США, также показали, что до 1/3 сбоев и отказов при функционировании зарубежных КА имеют эксплуатационный характер и обусловлены геофизическими факторами.

В ходе исследований была выявлена четкая зависимость между уровнем геомагнитной активности и частотой отказов КА различного целевого назначения.

Определено, что по мере возрастания солнечной активности число отказов бортовой аппаратуры КА возрастает в несколько раз [3].

Анализ данных по аномалиям в функционировании отечественных КА, проведенный специалистами

4 ЦНИИ МО РФ, показал, что общее количество неисправностей в бортовых системах КА и нарушений обмена управляющей и целевой информацией в периоды высокой гелиогеофизической активно сти возрастает в 2–2,5 раза, что, в свою очередь, резко сокращает среднее время их активного функционирования. Более 50 % (а по отдельным системам – до 90 %) из них происходят по причине внешних воздействий среды на бортовую аппаратуру КА. Более 80 % таких сбоев и отказов в той или иной степени влияют на выполнение целевых задач [3].

Данные проблемы становятся особо актуальными в связи с переходом на негерметичное исполнение КА. Переход на данное проектно-компоновочное исполнение КА обусловлен необходимостью повышения САС до 15 лет и увеличением энерговооруженности вновь разрабатываемых КА. Однако при этом появляются новые механизмы влияния космической окружающей среды на бортовые системы КА, которые в свою очередь без соответствующей очень тщательной проработки и принятия необходимых мер защиты могут привести к катастрофическим отказам в работе бортовых систем современных отечественных КА.

Существенное влияние на работоспособность КА могут оказывать и техногенные факторы. Так во время функционирования стационарных плазменных двигателей (СПД) был зафиксирован ряд аномалий в работе бортовых систем. Прежде всего, это связано с интенсивным взаимодействием струи СПД с поверхностью, собственной внешней атмосферой и высоковольтным оборудованием КА. Кроме того, работа СПД может создавать оптические помехи, влиять на прием и передачу радиосигналов, вызывать помехи в цепях питания и управления, оказывать тепловое, силовое, загрязняющее, эрозийное воздействие на элементы КА, влиять на интенсивность и амплитуду зарядо-разрядных процессов на элементах конструкции КА и помеховую обстановку на борту КА.

Как видно, спектр дестабилизирующих факторов, воздействующих на КА в процессе его орбитальной эксплуатации, чрезвычайно широк. Поэтому одной из основных проблем в области прикладной космофизики при создании и обеспечении надежного функционирования КА является проблема обеспечения его стойкости к воз-

Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева действию факторов космического пространства и факторов техногенного характера.

С целью решение этой проблемы в ОАО«ИСС» был проведен комплекс работ по исследованию уровней и механизмов воздействия ФКП и ФТХ на бортовые системы КА, созданию моделей воздействия, последующей разработке и отработке методов и средств защиты, а также созданию системы диагностики и контроля стойкости КА, используемой в процессе наземных испытаний и натурной эксплуатации КА.

К настоящему времени в этом направлении были получены следующие основные результаты:

• 1.    Выявлены следующие ранее неучитываемые при создании и натурной эксплуатации механизмы воздействия ФКП и ФТХ на КА:

• –    квазистатическая разность потенциалов, наводимая между шинами питания и корпусом КА;

• –    развитие разрядных процессов в результате воздействия плазмы СПД на высоковольтное оборудование КА.

• 2.    Созданы модели воздействия указанных механизмов на КА и на этой основе разработаны необходимые методы и средства защиты, позволяющие обеспечить надежное функционирование современных отечественных КА.

• 3.    В стендовых условиях отработана эффективность фильтров, разработанных для защиты от наведения ква-зистатической разности потенциалов между шинами питания и корпусом КА.

• 4.    Проведен комплекс экспериментальных исследований по определению критериев возникновения и развития разрядных процессов в высоковольтном оборудовании в условиях воздействия плазмы СПД.

• 5.    Подготовлены и проведены натурные эксперименты, позволившие:

• –    оценить степень влияния на зарядку конструкции КА искусственных плазменных образований;

• –    подтвердить эффективность разработанных средств защиты от наведения между шинами питания и корпусом КА квазистатической разности потенциалов, возникающей в результате дифференциальной зарядки элементов конструкции КА;

• –    определить параметры плазмы штатного СПД в местах размещения бортовой аппаратуры, а также оценить степень влияния плазмы СПД на зарядку конструкции КА.