Расчёт помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электростатическими разрядами

Автор: Костин Алексей Владимирович, Пиганов Михаил Николаевич

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Рубрика: Технологии в авиационном и ракетно-космическом комплексе

Статья в выпуске: 4-5 т.14, 2012 года.

Бесплатный доступ

В статье приводится способ расчёта помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электростатическими разрядами. Приводится пример расчёта. Обсуждаются результаты.

Электростатический разряд, поле, бортовая аппаратура, космический аппарат, излучатель, экран

Короткий адрес: https://sciup.org/148201402

IDR: 148201402

Текст научной статьи Расчёт помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электростатическими разрядами

и было экспериментально показано, что на КА действительно возникают электростатические заряды с разностью потенциалов до 20 кВ. Из анализа имеющихся в литературе данных следует, что космические аппараты заряжаются статическим электричеством практически на всей траектории полета.

Для защиты бортовой аппаратуры (БА) КА применяется ряд мер. Но вопрос о необходимости и достаточности принятых мер по защите от электростатических разрядов (ЭСР) остаётся открытым на этапе проектирования БА, и подтвердить правильность выбранных конструктивных решений можно только при натурных испытаниях системы. Если на этом этапе будет получен отрицательный результат, то возникнет необходимость доработки БА. Такие доработки вызывают дополнительные затраты и могут даже задержать сдачу изделия. Другое дело, если меры, принятые для защиты от ЭСР, избыточные. Это ведёт к удорожанию приборов, увеличению их массы и габаритов.

В настоящей статье рассматривается способ оценки уровня помех, наводимых в цепях БА КА под действием ЭСР вблизи корпуса. Рассмотрим источник помех, то есть ЭСР. Сила тока разрядного импульса имеет вид [2]

i_P(t) = I . (e p t - e p ² t )

где t – время; I , p 1 , p 2 можно найти по известным значениям амплитуды импульса, длительности импульса по уровню 0,5 и длительностью фронта по уровням 0,1…0,9. На рис. 1, как пример, представлена временная диаграмма импульса разрядной силы тока при минимальном значении длительности фронта импульса, минимальном значении переднего фронта и максимальной амплитуде 100 А.

Time

Рис. 1. Временная диаграмма импульса разрядной силы тока

ЭСР можно представить в виде элементарного электрического излучателя (диполя Герца). Поскольку размеры КА соизмеримы с длинами волны спектра излучаемого ЭСР [2], то можно сказать, что приёмник помех (то есть БА) будет расположена в ближней зоне диполя Герца. Запишем выражения для напряжённостей электрического и магнитного полей в ближней зоне диполя Герца [3]:

LQco^lsin^O^

H ^ —----------;

47rr2

. Hja^lcos^')

JWSqZ^T

. tp(ja))lsin(6)

6 }WE04nr3 '

где to - угловая частота, I( j®) - спектральная плотность импульса разрядного тока, ε 0 – электрическая постоянная, l – длина вибратора, r, θ, φ – координаты сферической системы (см. рис. 2). Если подвергнуть выражение для составляющей магнитного поля обратному преобразованию Фурье, то можно увидеть, что форма импульса не поменялась, осталась такой же, что и в (1), а изменился лишь коэффициент перед выражением.

Теперь рассмотрим пример расчёта помехи. Пусть имеется токовый контур, расположенный на расстоянии R от дуги ЭСР. Контур имеет размеры a и b (см. рис. 2). На практике токовыми контурами могут являться контуры, образованные источниками сигналов, нагрузкой, сигнальным и общим проводом. Именно эти цепи являются приёмниками помех. Поскольку в реальной аппаратуре монтаж, как правило, лежит в плоскости, то предположим, что рассматриваемый контур тоже лежит в одной плоскости. В той же плоскости лежит дуга ЭСР. Ориентация, представленная на рис. 2, является самым худшим вариантом, т. к. составляющая магнитного поля нормальна плоскости контура. Найдём ЭДС помехи, наводимую в этом контуре при ЭСР.

Рис. 2. Диполь Герца в декартовой и сферической системе координат и ориентация токового контура

ЭДС, наводимая в токовом контуре, может быть определена по закону Фарадея [3]

e(t) =- ^d B ^→ (t)dS ^→ =- µ ^d H ^→ (t)d ^→ S ^dtS ⁰ ^dtS , (4)

где μ 0 – магнитная постоянная, – магнитная индукция. Выражение (4) справедливо для воздуха и вакуума. Раскроем интеграл по поверхности S в декартовой системе координат [4]:

e(t) =

P- 0 ' ^ 4 n

a/ 2 R + b

- a/ 2 R

( y ² ⁺ z ²)

dydz • I • (p_}e'^P - p₂e^p ² t ).

Определим l по кривой Пашена [5], представленной на рис. 3. Напряжение ЭСР может достигать 20 кВ. По кривой Пашена определяем максимальный промежуток, при котором может произойти разряд при разности потенциалов 20 кВ. Найденное значение и будет являться l . В нормальных условиях атмосферное давление составляет от 630 до 800 мм рт. ст. При меньшем давлении значение l будет больше. При давлении 630 мм рт. ст. l =0,63 см.

Рис. 3. Кривая Пашена для воздуха

Форма импульса наведённой ЭДС представлена на рис. 4. Поскольку ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, а значит и тока, самый большой выброс получается во время фронта. Если провести расчёт для контура на расстоянии R=50 мм с размерами сторон a и b от 10 до 100 мм с шагом 10 мм при воздействии импульса длительностью 1 мкс по уровню 0,5, длительностью фронта 1 нс по уровню 0,1-0,9, то получим значения ЭДС, приведённые в таблицах 1 и 2. При этом длительность t1 будет равна 3,36 нс.

Рис. 4. Форма импульса ЭДС, наводимой в контуре

Таблица 1. Амплитуда А 1 для импульса с длительностью 1 мкс по уровню 0,5 и длительностью переднего фронта 1 нс по уровню 0,1-0,9

”\a, cm b, cm	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	4.601	9.088	13.363	17.349	20.997	24.286	27.217	29.805	32.078	34.064
2	7.891	15.61	23.006	29.958	36.384	42.244	47.527	52.251	56.449	60.164
3	10.36	20.517	30.285	39.52	48.118	56.022	63.213	69.704	75.527	80.729
4	12.282	24.34	35.972	47.014	57.349	66.909	75.667	83.628	90.826	97.306
5	13.82	27.403	40.535	53.041	64.794	75.718	85.778	94.978	103.345	110.925
6	15.078	29.911	44.277	57.991	70.922	82.985	94.143	104.394	113.764	122.296
7	16.127	32.004	47.4	62.129	76.052	89.081	101.174	112.326	122.562	131.922
8	17.015	33.775	50.047	65.638	80.407	94.264	107.162	119.095	130.084	140.169
9	17.776	35.294	52.317	68.651	84.151	98.724	112.321	124.935	136.585	147.309
10	18.436	36.611	54.287	71.266	87.403	102.601	116.812	130.025	142.257	153.548

Таблица 2 . Амплитуда А 2 для импульса с длительностью 1 мкс по уровню 0,5 и длительностью переднего фронта 1 нс по уровню 0,1-0,9

Ха, см	1	2	21	4	5	6	7	8	9	10
1	-1.364'10-3	-2.695'10-3	-3.962'10-3	-5.144'10-3	-6.226'10-3	-7.201'10-3	-8.07'10-3	-8.837'10-3	-9.511'10-3	-0.01
2	-2.34'10-3	-4.628'10-3	-6.821'10-3	-8.882'10-3	-0.011	-0.013	-0.014	-0.015	-0.017	-0.018
3	-3.072'10-3	-6.083'10-3	-8.98'10-3	-0.012	-0.014	-0.017	-0.019	-0.021	-0.022	-0.024
4	-3.642'10-3	-7.217'10-3	-0.011	-0.014	-0.017	-0.02	-0.022	-0.025	-0.027	-0.029
5	-4.098'10-3	-8.125'10-3	-0.012	-0.016	-0.019	-0.022	-0.025	-0.028	-0.031	-0.033
6	-4.471'10-3	-8.869'10-3	-0.013	-0.017	-0.021	-0.025	-0.028	-0.031	-0.034	-0.036
7	-4.782'10-3	-9.489'10-3	-0.014	-0.018	-0.0221	-0.026	-0.021	-0.033	-0.036	-0.039
8	-5.045'10-3	-0.01	-0.015	-0.019	-0.024	-0.028	-0.032	-0.035	-0.039	-0.042
9	-5.271'10-3	-0.01	-0.016	-0.02	-0.025	-0.029	-0.033	-0.037	-0.04	-0.044
10	-5.466'10-3	-0.011	-0.016	-0.021	-0.026	-0.03	-0.035	-0.039	-0.042	-0.046

Как видно из табл. 1 и 2 амплитуды импульсов могут достигать существенной величины. При увеличении длительности фронта значение А 1 уменьшается, а t 1 увеличивается. Это связано с уменьшением скорости и увеличением времени нарастания импульса тока ЭСР. Однако, корпуса БА КА, которые, как правило, изготавливаются из электропроводящего материала и ослабляют электромагнитное поле.

Как показывают расчёты [6] эффективность экранирования в некоторых диапазонах может достигать свыше 40 дБ. На амплитуду и форму импульсов ЭДС могут влиять не только корпуса БА. Поэтому, при определении помех от ЭСР предложенным в настоящей статье способом необходимо помнить, что контуры имеют собственное комплексное сопротивление (активное и реактивное). Реальную форму импульса необходимо определять с учётом этого комплексного сопротивления. Для определения комплексного сопротивления необходимо рассматривать конкретные случаи, конструкцию конкретной БА. Влияние комплексного сопротивления может привести к кардинальным изме- нениям не только амплитуд но и формы импульса вплоть до превращения его в колебательный процесс.

Список литературы Расчёт помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электростатическими разрядами

Manoranjan, R. J. Aeronaut. Soc.India. 1976. 28, №4. P. 431-434.
Соколов, А.Б. Обеспечение стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов/А.Б. Соколов. Диссертации на соискание уч. степ. докт. техн. наук. -М.: МИЭМ, 2009. 51 с.
Макаров, Г.Т. Электродинамика и распространение радиоволн/Г.Т. Макаров, Б.М. Петров, Г.П. Грудинская. -М.: Сов. радио, 1969. 376 с.
Бронштейн, И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов/И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. -М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. 544 с.
Техника высоких напряжений: Курс лекций для бакалавров направления 140200 «Электроэнергетика» -Томск: ТПУ, 2005. 128 с.
Полонский, Н.Б. Конструирование электромагнитных экранов для радиоэлектронной аппаратуры/Н.Б. Полонский. -М.: Сов. радио, 1979. 216 с.

Статья научная