АЛГОРИТМ РАЗРАБОТКИ МЕР КОМПЛЕКСНОЙ ЗАЩИТЫ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ОТ ПОМЕХ В БОРТОВОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ, ВЫЗВАННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

Костин А.В.¹, Пиганов М.Н.²

¹Аспирант, ²Профессор, доктор технических наук, Самарский государственный аэрокосмический университет

АЛГОРИТМ РАЗРАБОТКИ МЕР КОМПЛЕКСНОЙ ЗАЩИТЫ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ОТ ПОМЕХ В БОРТОВОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ, ВЫЗВАННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

Аннотация

Статья описывает алгоритм разработки мер комплексной защиты бортовой аппаратуры космических аппаратов от помех в бортовой кабельной сети, вызванных электромагнитным полем электростатического разряда. Алгоритм был разработан в результате экспериментально-теоретических исследований помех в бортовой кабельной сети и различных методов защиты от них.

Ключевые слова: Бортовая аппаратура, космический аппарат, электростатический разряд, электромагнитное поле, алгоритм, защита, бортовая кабельная сеть.

Kostin A.V.¹, Piganov M.N.²

¹Postgraduate student, ²Professor, Doctor of Technical Sciences, Samara State Aerospace University

ALGORITHM DEVELOPMENT OF MEASURES OF COMPLEX PROTECTION ON-BOARD EQUIPMENT OF THE SPACECRAFT FROM HARMFUL INTERFERENCE TO ONBOARD CABLE NETWORK CAUSED ELECTROMAGNETIC FIELD OF ELECTROSTATIC DISCHARGE

Abstract

This article describes the algorithm to develop measures of complex protection of on-board equipment of spacecraft interference in onboard cable network, the electromagnetic field caused by electrostatic discharge. The algorithm was developed as a result of experimental and theoretical studies of interference to the onboard cable network, and the various methods of protection against them.

Keywords: Airborne equipment, spacecraft, electrostatic discharge, electromagnetic field algorithm, protection, onboard cable network.

Космическая техника развивается в сторону увеличения срока активного существования, расширения функциональных возможностей, снижения габаритов и массы. Такая тенденция привела к необходимости применения полупроводниковых приборов с высоким быстродействием. В отличие от электромагнитных реле, программных механизмов и полупроводниковых приборов с низких быстродействием они более чувствительны к помехам, вызванным различными явлениями (как природными, так и антропогенного характера). Одним из таких явлений природы является электризация космического аппарата (КА). В результате электризации неметаллизированные элементы конструкции заряжаются таким образом, что между ними образуются разности потенциалов [1– 3]. Эти разности потенциалов достигают значений 20 кВ [3]. Последнее приводит к возникновению электростатических разрядов (ЭСР). ЭСР порождают импульсное электромагнитное поле, которое воздействует как на бортовую аппаратуру  (БА) так и на бортовую кабельную сеть (БКС), вызывая наводки. Опыт эксплуата­ции отечественных и американских геоста­ционарных спутников по­казал, что в работе бортовой аппаратуры при этом на­блюдаются аномалии и сбои [1]. Так, на искусственном спутнике Зем­ли (ИСЗ) DSCS-2 имели место самопроиз­вольные срабатывания генераторов напря­жения логических схем блоков управления. На ИСЗ «Интелсат-3» возникали сбои в сис­темах управления антенной. На ИСЗ «Раду­га» происходили нарушения в работе элек­троники датчика системы ориентации инфракрасного построителя местной вертика­ли. Известны и другие случаи нарушения нормальной работы бортовых систем ИСЗ, большая часть которых эксплуатировалась на геостационарных и высоких эллиптиче­ских орбитах.

Электростатический заряд на изде­лиях РКТ возникает не только при движении КА на геостационарной орбите, но и в первые минуты старта, когда КА находится на начальном участке траектории, т.е. в плотных слоях атмосферы. 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 работе [4] рассматривается способ оценки уровня помех, наводимых в цепях БА КА под действием ЭСР вблизи корпуса. Однако, он не гарантирует принятие необходимых мер. Наводки в БКС также воздействуют на входы БА КА и могут привести не только к сбоям, но и к необратимым отказам. Необратимый отказ БА может привести к потере КА.

Пагубное влияние наводок в БКС, вызванных ЭСР, можно ослабить, а в некоторых случаях исключить полностью. Для оптимизации конструкции и ускорения процесса конструирования систем КА, состоящих из БА и БКС, в данной работе составлен специальный алгоритм разработки мер комплексной защиты БА КА от помех в БКС, вызванных ЭМП ЭСР. Этот алгоритм был создан на основе результатов анализа устройств защиты БА КА от помех, наведённых в БКС при воздействии ЭСР. Блок-схема алгоритма приведена рис. 1.

Рис. 1– Блок-схема алгоритма разработки мер комплексной защиты БА КА от помех в БКС, вызванных ЭМП ЭСР

Первым делом необходимо провести анализ возможности вывода из строя ЭРИ помехой. Если такой опасности нет, то необходимо провести анализ возможности сбоев в работе БА КА при условии воздействия ЭСР. Если такой опасности нет, то ничего делать не нужно. Если возможность возникновения сбоев есть, то необходимо проанализировать, насколько эти сбои критичны. Если сбои допустить можно, то есть на выполнение задач, возложенных на КА, это не повлияет, то никаких мер предпринимать не нужно. Если сбои в работе БА КА недопустимы, то необходимо провести комплекс мероприятий по защите БКС от ЭМП ЭСР. К таким мероприятиям можно отнести: экранирование, изменение трасс прокладки БКС (прокладка в местах, где напряжённости полей, созданных ЭСР, ниже), применение оптических кабелей и др. Принятые меры непременно должны обеспечивать отсутствие сбоев в работе БА КА.

Если помеха в БКС настолько велика, что может вывести из строя ЭРИ, то необходимо применения мер по защите БА КА. Первым делом необходимо проработать простейшие частотные фильтры на предмет возможности их применения для подавления помех. Фильтры должны не только защищать ЭРИ БА КА от необратимого отказа, но и обеспечивать   функционирование БА КА без сбоев.

Если последнее обеспечить при помощи частотных фильтров нельзя, то необходимо провести анализ допустимости сбоев в работе БА КА. Если сбои допустимы, то достаточно установить диодные ограничители, которые ограничат амплитуду помехи, тем самым предотвратив перенапряжение ЭРИ. Однако, функционирование БА КА в условиях помех будет невозможным. Если сбои в работе БА КА недопустимы, то необходимо провести комплекс мероприятий по защите БКС от ЭМП ЭСР.

Разработанный алгоритм позволит оптимизировать действия разработчика для достижения наилучшего результата при разработки мер комплексной защиты БА КА от помех в БКС, вызванных ЭМП ЭСР.

Литература

1. NASA-HDBK-4002A Mitigating in-space charging effects guideline, NASA, 2011.
2. Новиков Л.С. Взаимодействие космических аппаратов с окружающей плазмой: Учебное пособие. М.: Университетская книга, 2006. 120 с.
3. Соколов А.Б. Обеспечение стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов: Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.–Москва: МИЭМ, 2009.
4. Костин А.В., Пиганов М.Н. Расчет помех в цепях бортовой аппаратуры космических аппаратов, вызванных электростатическими разрядами // Известия Самарского научного центра РАН, 2012. Т.14. №4(5). С. 1376-1379.

References

1. NASA-HDBK-4002A Mitigating in-space charging effects guideline, NASA, 2011.
2. Novikov L.S. The interaction of spacecraft with the surrounding plasma: Textbook. M .: University Book, 2006. 120 s.
3. Sokolov A.B. Ensuring stability of the onboard equipment of space vehicles to the effects of electrostatic discharge. Theses for the degree of Doctor of Technical Sciences.– Moscow: MIEM 2009.
4. Kostin, A.V., Piganov M.N.  Calculation of interference in the circuits of onboard equipment of space vehicles, Electrostatic Discharge // Bulletin of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2012. T.14. №4 (5). S. 1376-1379.