РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ ОТ ПОМЕХ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

Костин А.В.¹, Пиганов М.Н.²

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

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ ОТ ПОМЕХ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

Аннотация

В статье рассмотрены методы конструктивной, схемотехнической и программной защиты бортовой аппаратуры от помех электростатического разряда. Разработаны рекомендации по применению этих методов на этапе конструирования бортовой аппаратуры. Статья описывает разработки мер комплексной конструктивной защиты бортовой аппаратуры (БА) космических аппаратов (КА) от факторов электростатического разряда (ЭСР).

Ключевые слова:  Бортовая аппаратура, космический аппарат, электростатический разряд, электромагнитное поле, помехи,  защита, устойчивость, рекомендации.

Kostin A.V.¹, Piganov M.N.²

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

DEVELOPMENT OF RECOMMENDATION ON THE APPLICATIONOF ON-BOARD EQUIPMENT PROTECTION  AGAINST INTERFERENCE ELECTROSTATIC DISCHARGE

Abstract

The article describes the methods of structural, circuit design and software protection of on-board equipment from electrostatic discharge interference. The recommendations on the use of these methods in the design phase on-board equipment. This article describes the development of a comprehensive structural protection measures on-board equipment (BA) spacecraft (SC) on the factors of electrostatic discharge (ESD).

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

Бортовая аппаратура (БА) космических аппаратов (КА) развивается в сторону внедрения цифровых технологий, повышения тактовых частот обработки информации, расширения спектра обрабатываемых сигналов. Одновременно минимизируются массогабаритные параметры аппаратуры, увеличивается плотность ее компоновки в объеме КА. Все это создает сложную обстановку с позиций электромагнитной совместимости (ЭМС) приборов и узлов БА. Особую роль при этом играют процессы электризации поверхности КА, вызывающие электростатические разряды (ЭСР). ЭСР, возникающие вследствие дифференциальной зарядки КА, являются источниками электромагнитных помех (ЭМП), воздействующих на отдельные элементы, устройства и бортовые системы в целом.

В настоящее время для определения необходимости и достаточности принятых мер по защите бортовой аппаратуры космических аппаратов от факторов электростатического разряда на этапе её проектирования применяется теоретическая оценка [1]. Для подтверждения устойчивости бортовой аппаратуры космических аппаратов к факторам электростатического разряда проводятся наземные отработочные испытания [2].

Сформулируем научно обоснованные рекомендации по применению различных методов защиты бортовой аппаратуры (БА) космических аппаратов (КА) от электромагнитных полей (ЭМП), вызванных электростатическим разрядом (ЭСР).

Первым можно сделать вывод о том, что необходимо задавать реальные, а не предельные требования по устойчивости БА КА к факторам ЭСР. Под реальными требованиями понимаются требования к конкретной БА для эксплуатации на конкретном КА с определённой высотой и наклонением орбиты. Задание предельных характеристик ЭСР (указанных в нормативной документации и действующих для КА функционирующих в самых жёстких условиях) может привести к необоснованным мероприятиям по повышению устойчивости БА к ЭМП, вызванному ЭСР. Последнее приведёт к удорожанию БА усложнению конструкции, ухудшению технологичности и массогабаритных показателей. Эксперименты показали, что при снижении амплитуды напряжения импульса ЭСР в четыре раза снижается и амплитуда импульса помехи, примерно во столько же раз. Если внутренняя электризация на борту КА вообще отсутствует, а БА установлена внутри радиогерметичного отсека, то требования по устойчивостью к факторам ЭСР предъявлять к ней вообще не стоит.

Теоретический анализ показал, что ЭСР непосредственно в корпус БА с других не металлизированных элементов конструкции маловероятен, так как требует расстояний между ними меньше 1 мм, что даже в современных КА с плотной компоновкой практически не встречается. Если говорить о маломассогабаритных КА, в которых как таковых корпусов БА нет, а имеется только корпус КА, ЭСР непосредственно в последний может произойти. Для большинства аппаратуры общего назначения, установленной внутри отсека КА, ЭСР непосредственно в корпус возможен, если имеются неметаллизированные элементы конструкции или изоляционные материалы на поверхности корпуса. Если уйти от таких элементов конструкции или изоляционных материалов, то в большинстве случаев влияние ЭСР непосредственно в корпус можно вообще исключить.

Вопрос обеспечения устойчивости БА к ЭМП, вызванному ЭСР необходимо решать уже на этапе компоновки КА. Располагать наиболее восприимчивую к ЭСР и особо ответственную (сбои в работе которой могут привести к потере КА) БА в отсеках или в зонах, проникновение заряженных частиц в которые будет минимальное, а также в тех зонах, где будет минимум неметаллизированных элементов конструкции. В таких отсеках или зонах дифференциальная зарядка сведена к минимуму и разность потенциалов при такой зарядке будет минимальной. А, следовательно, снижаются, во-первых, вероятность возникновения ЭСР, во-вторых, напряжённости ЭМП помех.

Результаты экспериментов показали, что амплитуды импульсов помех в электрических цепях могут быть чрезвычайно велики и даже превышать значение в 200 В. Такое напряжение может вызвать необратимый отказ ЭРИ, особенно затворов МДП транзисторов, имеющих огромное входное сопротивление и неспособных снизить напряжение помехи путём шунтирования. Что касается электромагнитных реле, то в процессе проведения эксперимента использовались коммутаторы с применением первых. Переключений под действием ЭМП ЭСР не происходило. Из этого можно сделать вывод, что релейные приборы не нуждаются в специальных мерах по защите от ЭСР.

Результаты экспериментов показали, что для того, чтобы корпус БА КА являлся экраном, необходимо принимать меры по обеспечению целостности экранирования. В противном случае корпус БА КА экраном считать нельзя. Наибольшую проблему доставляет магнитное поле, созданное ЭСР. Корпус БА КА практически не ослабляет это магнитное поле, так как сделан не из ферромагнитного материала.

Результаты экспериментов показали, что цепи БА КА оказывают влияние друг на друга своими ЭМП. В реальной аппаратуре это влияние стараются сделать как можно слабее, а при проектировании макета этому особое внимание не уделялось. Но при проведении расчётной оценке уровня помех в БА КА это влияние необходимо учитывать для цепей, которые имеют достаточно сильную индуктивную или емкостную связь между собой.

В процессе проведения расчётной части работы изучено тепловое воздействие ЭСР на БА КА. Результаты показали, что это воздействие не является существенным и на работу БА КА не может оказать влияния. Проводить тепловые расчёты с учётом нагрева корпуса под действием ЭСР смысла не имеет. Работа эта ресурсоёмкая, а на общий результат это повлияет незначительно.

В процессе работы была предложена методика расчёта наводок в цепях БА КА с учётом вносимого из цепи ЭСР сопротивления. Методика основывается на определении взаимной индуктивности между цепями ЭСР и БА КА. Далее рассчитываются цепи с взаимной индуктивностью. Взаимную индуктивность предложено определять через вычисленную любым способом (например с использованием закона фарадея) ЭДС помехи в цепи БА КА. Методика может быть полезна не только при проведении расчётной оценке уровня помех в БА КА от ЭМП, вызванного ЭСР, но и при решении других задач ЭМС.

Очевидно, что при проектировании БА КА приоритеты должны отдаваться методам, которые не ухудшают массогабаритные характеристики. Эти методы и являются наиболее целесообразными.

Рассматривая результаты проведённых экспериментов можно сформулировать научно-обоснованные рекомендации по конструкционным методам защите БА КА от ЭМП, вызванного ЭСР. Они приведены ниже в порядке убывания целесообразности их применения:

• Трассировка печатных проводников и раскладка жгутов должна выполняться таким образом, чтобы прямой и возвратный проводник располагались как можно ближе друг к другу. В этом плане наиболее перспективными являются многослойные печатные платы, в которых прямой и возвратный провода расположены максимально близко друг к другу. Эта рекомендация вытекает из закона Фарадея. При проведении экспериментов с макетом прибора с прямоугольными соединителями этот эффект также наблюдался. Для приборов с объёмным монтажом необходимо применять двухпроводные экранированные и неэкранированные или коаксиальные линии. При выполнении этого требования необходимо учесть, что быстродействие цифровых схем может ухудшиться из-за повышения ёмкости между проводами. Этот метод практически не удорожает БА, не усложняет конструкцию, не ухудшает технологичность и массогабаритные показатели.
• Находить зоны внутри корпусов БА КА с наименьшими напряжённостями ЭМП, вызванного ЭСР, и располагать там узлы, наиболее чувствительные к последнему. Это сопряжено с некоторыми трудностями, связанными с неизвестностью точного места возникновения ЭСР; но пути протекания токов по корпусу БА всё же можно прогнозировать, так как известны точки металлизации сборных корпусов.
• Экраны из металлизированных тканей являются технологичными и лёгкими, занимают немного места. Последние два преимущества очень важны для БА КА. Отдельно необходимо сказать про маты ЭВТИ. Поскольку металлизированная ткань ослабляет ЭМП, вызванное ЭСР, то можно сделать вывод, что и сами маты ЭВТИ будут дополнительно выполнять эту функцию.
• Необходимо обеспечить целостность экранирования БА КА. Это подразумевает исключение всех неоднородностей (отверстий, щелей, плохих контактов между элементами конструкции корпуса БА КА). Этот метод весьма эффективен, но делает БА КА нетехнологичной, неремонтопригодной, кроме того может увеличить габариты и массу. Поэтому целесообразно рассмотреть применение местных экранов для защиты наиболее чувствительных узлов БА КА от ЭМП, вызванного ЭСР. Возможно, эти экраны должны быть магнитными.

Рассматривая результаты проведённых экспериментов можно сформулировать рекомендации по применению схемотехнических и программных методов защиты БА КА от помех в бортовой кабельной сети, вызванных ЭМП ЭСР. Они приведены ниже в произвольном порядке:

• Защита низкоскоростных шин и цепей питания при помощи низкочастотных фильтров. Причём эти фильтры должны обеспечивать фильтрацию помехи во всём её весьма широком частотном диапазоне.
• Применение диодных ограничителей для исключения возможности выхода из строя ЭРИ БА КА.
• Защита высокоскоростных линий при помощи помехозащищённых кодов или сигналов, пропуск которых не приведёт к серьёзным последствиям. Формирование и анализ таких сигналов может быть обеспечен аппаратно или программно.

По сути, сама БКС от ЭМП, вызванного ЭСР, пострадать не может, но от помех, наведённых в БКС, может пострадать БА, к которой они подключены. По этой причине следует сказать несколько слов о БКС. Для разработчика схем БА важно знать характеристики импульсов помех в БКС. Эти данные необходимо приводить в технических заданиях на БА КА, хотя бы типовые значения. Схемотехнические методы защиты от помех в БКС усложняют БА и могут привести к увеличению её габаритов и массы. Самым эффективным способом защиты линий передачи электрических сигналов от ЭМП, вызванного ЭСР, является применение экранированных линий. Результаты измерений показывают, что эффективность экранирования может достигать 30 дБ. Однако, экран увеличивает массу БКС, поэтому необходимо проводить расчёты на предмет того, что более критично, усложнение БА КА или увеличение массы БКС. Наиболее перспективным здесь является применение волоконно-оптических линий, которые невосприимчивы к ЭМП. Но они выполнены из диэлектрических материалов. Диэлектрики, как было отмечено ранее, накапливают заряды и могут стать средой, в которой происходит ЭСР. В результате ЭСР диэлектрики разрушаются [3]. По этой причине при применении волоконно-оптические кабелей на борту КА необходимо обратить внимание на возможность их электризации.

Литература

1. 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.
2. Костин А.В., Пиганов М.Н. Рекомендации по проведению испытаний бортовой аппаратуры космических аппаратов на устойчивость к факторам электростатического разряда // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2012». – Выпуск 2. Том 5.– Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. - С. 74-78.
3. Акишин А.И. Космическое материаловедение: Методическое и учебное пособие. – М.: НИЯФ МГУ, 2007. – 209 с.

References

1. Kostin V., Piganov M.N. Calculation of noise in circuits  on-board equipment of spacecraft caused by electrostatic discharges // Proceedings of the Samara Scientific Center Russian Academy of Sciences. 2012. Т.14, №4(5).– Ss. 1376-1379.
2. Kostin V., Piganov M.N. Recommendations for testing  of on-borne equipment of spacecraft resistance to factors of  electrostatic discharge// Collection of scientific papers SWorld.  Proceedings of the international scientific-practical conference "Future innovations in science, education, manufacturing and transport 2012".– issue 2.  Part 5.– Odessa:  Kuprienko, 2012.– Ss. 74-78
3. Akishin A.I. Space Materials: Methodological and training manuals.- M .: NIYAF Moscow State University, 2007. - 209 S.