CC BY
98
УДК 629.78.051:537.221
Вестник СибГАУ Том 17, № 4. С. 1015-1019
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ОТ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ
Р. Е. Тихомиров*, И. А. Максимов, Д. А. Трофимчук, В. В. Иванов, Е. П. Маслов
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
*E-mail: [email protected]
Представлены результаты экспериментального определения характеристик электрических полей от источника ЭСР на диэлектрических материалах космического аппарата. С этой целью были рассмотрены различные виды воздействий, вызванных ЭСР, такие как электромагнитные помехи, помехи, вызванные емкостными связями, и прямая токовая инжекция в корпус бортовой аппаратуры. Каждый из рассмотренных факторов ЭСР имеет свои физические основы, вызванные взаимодействием диэлектрических материалов космических аппаратов с магнитосферной плазмой.
Для обеспечения необходимых уровней воздействия авторы использовали специализированый генератор с газоразрядным устройством. Это устройство может быть оснащено различными типами антенн-излучателей, которые соответствуют всем видам воздействия ЭСР, рассмотренным в данной работе. Генератор также обеспечивает необходимые характеристики первичного разряда, такие как временной фронт, амплитуда, длительность и частота разрядного импульса. С помощью рабочего места, оснащенного регистрирующими устройствами, а также средствами позиционирования для обеспечения проведения измерений в сферической системе координат, авторами были получены обширные статистические данные о флуктуациях электрического поля, вызванных протеканием электростатического разряда. Из результатов работы следует, что наибольшие изменения электрического поля вызваны протеканием токовой инжекции. Полученные характеристики электрических полей от ЭСР могут быть полезны в обеспечении излучательной электромагнитной совместимости космических аппаратов ввиду их потенциального влияния на работоспособность бортовой аппаратуры.
Ключевые слова: электризация космических аппаратов, плазма, электростатический разряд (ЭСР), электромагнитные поля.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 4, P. 1015-1019
INVESTIGATION OF CHARACTERISTICS OF ELECTRIC FIELD ARISING FROM ELECTROSTATIC DISCHARGE
R. E. Tikhomirov*, I. A., Maximov, D. A. Trofimchuk, V. V. Ivanov, E. P. Maslov
JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev"
52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation *E-mail: [email protected]
The paper presents the experimental results of determination of the electric fields characteristics around ESD source on dielectric materials of spacecraft. For that purpose, the authors consider different types of ESD impact factors to board the equipment such as electromagnetic interference, capacitive interference and current injection to the equipment body. Each impact factor has its own physical bases caused by the interactions between the dielectric material of spacecraft and plasma of magnetosphere. To provide necessary impact conditions the authors applied the special generator with gas discharge device as ESD source. This device can be modified by different types of antennas which correspond to all ESD impact factors considered in this work.. The generator also provides necessary characteristics of primary discharge such as time front, amplitude and frequency of current pulses. Using special workplace which includes positioning device for making measurements of electric field intensity in spherical coordinate system the authors obtained extensive statistics about electric field fluctuations caused by ESD. From the results it follows that the most significant electric field fluctuations corresponds to discharge current injection. Obtained electric field characteristics from ESD could be very helpful in security for radiated electromagnetic compatibility of spacecraft because its influence can lead to anomalies in spacecraft equipment functioning The results of investigation could be applied in electromagnetic compatibility.
Keywords: electrostatic discharge (ESD), electric field, spacecraft charging, plasma.
Введение. Современный КА и его узлы состоят из большого разнообразия материалов, обладающих различными электрофизическими характеристиками. Вследствие их взаимодействия с магнитосферной плазмой возникают локальные области, обладающие различным электрическими потенциалами, между которыми возможны высоковольтные (до нескольких десятков кВ) электростатические разряды (ЭСР), способные индуцировать паразитные токи в цепях оборудования, вызвать деградацию рабочих характеристик материалов и даже привести к их механическому повреждению и выходу из строя блоков аппаратуры.
С целью обеспечения стойкости подсистем космического аппарата (КА) и бортовой аппаратуры (БА) к факторам электризации, на этапе наземной отработки проводятся испытания ботовой аппаратуры на воздействие факторов ЭСР, включающие в себя различные виды воздействия, в том числе электромагнитные помехи, емкостные и индуктивные наводки и непосредственное воздействие тока разряда. Характеристики данных воздействий известны [1-4] и соответствуют «худшему случаю» воздействия эффектов ЭСР, зафиксированных в рамках наземных [3] и натурных данных [5].
На сегодняшний день актуальной остается задача исследования характеристик электрических полей в окрестности источника ЭСР, вызванного электризацией диэлектрических материалов КА. Решение данной задачи поможет определить влияние переходных процессов, вызванных ЭСР, на БА и КА в целом, как в условиях натурной эксплуатации, так и в условиях наземной отработки, с целью разработки дополнительных мероприятий по обеспечению стойкости.
Тематика изучения воздействия факторов ЭСР на БА КА и КА в целом широко изучена [6-9]. В контексте исследования помеховой обстановки, вызванной протеканием переходных процессов от ЭСР, существует ряд эмпирических моделей [10-14]. Однако процессы изменения электромагнитных полей во время протекания разрядных процессов на конструкционных материалах КА и их влияние на бортовую аппаратуру остаются малоизученными.
Влияние электромагнитных полей является одним из важнейших аспектов обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) бортовой аппаратуры КА. В диапазоне частот, характерных для полей и токов от ЭСР (30-1000 МГц), бортовая аппаратура КА может быть восприимчива к электрическому полю [15]. Источником таких полей на борту КА является функционирующая бортовая аппаратура и антенны. При обеспечении ЭМС, ЭСР как источник электромагнитных полей, способных оказать негативное влияние на функционирование бортовой аппаратуры, ранее не рассматривался. Этим и обусловлен интерес к исследованию параметров электрического поля в окрестности источника ЭСР.
Экспериментальное определение характеристик полей от ЭСР. Объектом измерения является напряженность электрического поля в излучаемом при ЭСР импульсе от следующих видов воздействий: воздушный искровой разряд, емкостная антенна, токовый делитель, индуктивная антенна. Каждое из воздейст-
вий характеризует физический процесс, возникающий при воздействии факторов ЭСР на бортовую аппаратуру, а именно, электромагнитные помехи, емкостные и индуктивные наводки, а также непосредственный электрический разряд на поверхность прибора либо ближайший проводящий элемент конструкции КА.
Для имитации «худшего случая» воздействия факторов ЭСР в данной работе использовался генератор электростатического разряда (ГЭР), разработанный специально для проведения мероприятий по наземной отработке бортовой аппаратуры и космического аппарата в целом на стойкость к факторам ЭСР.
В качестве регистрирующих устройств использовались «ближнепольный» датчик электрического поля, подключенный к измерительной системе, находящейся в клетке Фарадея, для исключения влияния на нее воздействия факторов ЭСР (рис. 1).
Кроме того, для корректной интерпретации получаемых результатов и для построения графического представления результатов изменения поля использовалась система позиционирования, образующая сферическую систему координат вокруг источника ЭСР. Измерения проводились в ряде контрольных точек, находящихся на трех расстояниях от источника ЭСР в различных плоскостях. На рис. 1 представлена общая схема проводимых измерений.
Принцип действия ГЭР основан на генерации высоковольтного импульса с фронтом в несколько десятков наносекунд и передаче его через коаксиальный кабель к выносным антеннам, которыми имитируются различные виды помех. На рис. 2 представлена характерная форма импульса тока в режиме короткого замыкания в случае I = 100 А.
Для различных типов антенн, характеризующих различные физические механизмы воздействия факторов электростатического разряда, получены результаты измерения электрической компоненты электромагнитного поля в окрестности источника ЭСР. При наборе статистики установлено, что напряженность электрического поля может изменяться не более чем на 20 % от своей величины в одинаковых условиях эксперимента и воздействия. Поэтому для наиболее корректной интерпретации получаемых результатов было проведено порядка 3000 измерений, результаты которых были обработаны с помощью специализированного ПО. Из полученных данных была сделана выборка, характеризующая наиболее типичные значения электрической компоненты электромагнитного поля в окрестности источника ЭСР (рис. 3-5).
Установлено, что в процессе протекания разрядного явления, длительностью не более 100 нс, вокруг его источника происходит изменение электромагнитного поля, при этом максимальное значение электрической составляющей электромагнитного поля, установленное в эксперименте на расстоянии 1 см от источника, составляет величину 300 В/м (рис. 3). Данное значение получено во время воздействия токовой инжекцией, при которой ток разряда инжектируется в проводящую заземленную мишень. Примечательно, что данный фактор является наиболее сильным по способности оказывать влияние на работоспособность БА, о чем свидетельствуют результаты широкого ряда наземных испытаний БА на ЭСР [2].
Излучатель
Приемная антенна
Устройство позиционирования антенн
Осциллограф
Принтер
Рис. 1. Схема измерительного оборудования
а б
Рис. 2. Осциллограммы: а, б - характерная форма импульса
Рис. 3. Распределение электрической компоненты поля. Воздействие токовой инжекцией
Рис. 4. Распределение электрической компоненты поля. Воздействие емкостной антенной
Рис. 5. Распределение электрической компоненты поля. Воздействие воздушным разрядником
При воздействии ёмкостной антенной получено сферически симметричное распределение напряженности, при этом максимум не превышал величины 200 В/м (рис. 4), что может быть объяснено геометрией самой антенны. При воздействии воздушным разрядником (рис. 5), имитирующим электромагнитную наводку, получена наименьшая величина напряженности электрического поля, равная 20 В/м, что характеризует его как наиболее слабый по уровню воздействия на БА фактор ЭСР.
Заключение. Полученные результаты характеризует величину напряженности электрического поля в окрестности протекающего разрядного явления. Экспериментальные данные представляют существенный интерес и должны учитываться при проведении работ по обеспечению стойкости к воздействию факторов электризации и электромагнитной совместимости бортовой аппаратуры и космического аппарата в целом. Экспериментальные результаты будут использованы для уточнения существующих моделей воздействия ЭСР на бортовую аппаратуру и бортовую кабельную сеть космических аппаратов.
Библиографические ссылки
1. ЕСББ-Е-БТ^О-ОбС. Космическое проектирование. Электризация космических аппаратов : стандарт. Европейское космическое агентство, 2008, 120 с.
2. Электризация космических аппаратов в магни-тосферной плазме / Л. С. Новиков [и др.] // Модель Космоса. 8-е изд. Т. 2, гл. 1.8. Воздействие космической среды на материалы и оборудование КА. М., 2007. 1127 с.
3. Акишин А. И., Новиков Л. С. Электризация космических аппаратов. М. : Знание, 1985. 63 с.
4. Активное управление зарядом КА статическим электричеством на спутниках АТБ-5, АТБ-6 / К. Пур-вис [и др.] // Тр. конф. по проблемам заряда космических аппаратов статическим электричеством. 1977. Технический перевод СГ 3643-854. Л. 1980, С. 38-62.
5. Исследование факторов радиационной электризации на ГСО и высокоэллиптической орбитах / Ю. М. Прокопьев [и др.] // Сб. тезисов IV Междунар.
аэрокосмич. конгресса (18-23 авг. 2003, г. Москва).
С. 302-303.
6. Результаты исследования помехоустойчивости КА к воздействию факторов электризации и отработки средств защиты : науч.-техн. отчет НТО 434-3645-89 / И. А. Максимов, О. С. Графодатский и др.; НПО ПМ. Красноярск, 1989, 210 с.
7. Вудс А. Дж., Ункас Э. П. Методы расчета воздействия на электронную аппаратуру спутника импульсов ЭМИ, генерируемых искровыми разрядами на деталях из диэлектрических материалов // Аэрокосмическая техника. 1986. № 3. С. 146-166.
8. Моделирование радиационной электризации конструкционных материалов космических аппаратов / Р. Е. Тихомиров [и др.] // Тр. Всерос. конф. студенческих науч.-исслед. инкубаторов (15-17 мая 2014, г. Томск) / под ред. В. В. Демина. Томск : Изд-во НТЛ, 2014. 180 с.
9. Новиков Л. С. Взаимодействие космических аппаратов с окружающей плазмой : учеб. пособие. М. : Университетская книга, 2006. 120 с.
10. Методы математического моделирования взаимодействия космических аппаратов с окружающей средой / Л. С. Новиков [и др.] // Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия. Т. 17. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / под. ред. Л. С. Новикова, М. И. Панасюка. М. : Изд-во НИИ «ЭНЦИ ТЕХ», 2000. С. 155-199.
11. Указания по проектированию КА для оценки и контроля эффектов электризации / К. К. Пурвис, Г. Б. Гаррет // НАБА-ТЗ-2361. 1984, перевод рег. ном. 04509243. 1986. 47 с.
12. Милеев В. Н., Новиков Л. С. Физико-математическая модель электризации ИСЗ на геостационарной и высокоэллиптической орбитах. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М. : Наука, 1989. Вып. 86. С. 64-98.
13. NASCAP - A Three-dimensional charging analyzer program for complex spacecraft / I. Katz [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1977. Vol. NS-24, No 6. P. 2276.
14. Комплексная методология определения параметров электростатической зарядки, электрических полей и пробоев на космических аппаратах в условиях их радиационной электризации / Л. С. Новиков [и др.]. М. : Изд-во ЦНИИмаш, 1995. 160 с.
15. MIL-STD-461. Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment. US Department of Defense, 1999.
References
1. ECSS-E-ST-20-06C, Space engineering, Spacecraft charging, 2008, ESA Standart, 120 p.
2. Novikov L. S., Mileev V. N. et al. [Spacecraft charging in the magnetospheric plasma]. Model kosmosa. 2007, Vol. 2, 1127 p.
3. Akishin A. I., Novikov L. S. Elektrizatsiya kosmicheskikh apparatov [Spacecraft charging], Mosocw, Znanie Publ., 1985, 63 p.
4. Purvis K., Barlet R. et al. [Active control of the spacecraft charge by the static electricity on satellites ATS-5, ATS-6]. Trudy konferentsii po problemam zaryada kosmicheskikh apparatov staticheskim elek-trichestvom [Issue of the conference devoted to the problems of charging the space crafts by the static electricity], Leningrad, 1980, P. 38-62.
5. Prokopiev U. M., Hartov V. V. et al. [Investigation of radiation electrification factors on GEO and HEO]. Sbornik tezisov Chetvertogo mezhdunarodnogo aerokos-micheskogo kongressa. [4th International Aerospace Congress Abstracts]. Moscow, 2003, P. 302-303.
6. Maximov I. А., Grafodatsky O. S. et al. [Results of research of spacecraft interference immunity during spacecraft charging impact and protection methods]. Nauchno-tekhnicheskiy otchet NTO 434-3645-89. [Scientific and Technical Report]. Krasnoyarsk, NPO PM Publ., 1989, 210 p.
7. Woods A. J., Dinas A. P. Methods of calculation of the impact of EMP pulses generated by ESD on electronic devises, Aerospace engineerin. 1986, Iss. 3, P. 146-166.
8. Tikhomirov R. E., Trofimchuk D. A. et al. [Modeli-rovanie radiatsionnoy elektrizatsii konstruktsionnykh mate-rialov kosmicheskikh apparatov]. Trudy Vseros-siyskoy konferentsii studencheskikh nauchno-issledova-tel'skikh inkubatorov [Proceedings of the All-Russian conference of student research incubators]. Tomsk, 2014, 180 p.
9. Novikov L. S. Vzaimodeystviye kosmicheskikh apparatov s okruzhayushchey plazmoy [Spacecraft interaction with the surrounding plasma], Moscow, Universitetskaya kniga Publ., 2006, 120 p.
10. Novikov L. S., Mileev V. N. et al. [Mathematic modeling methods of spacecraft interaction with environmental]. Novye naukoemkie tekhnologii v tekh-nike. Entsiklopediya. M.I.NII "JeNCI TEH" Publ., 2000, P. 155-199.
11. Purvis C. K., Garret H. B. et al. Design guidelines for assessing and controlling spacecraft charging effects, NASA-Т3-2361, 1984, 44 p.
12. Mileev V. N., Novikov L. S. [Physicomathematical model of spacecraft charging on GEO and HEO. Research on geomagnetism]. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomiiifizike Solntsa. 1989, Iss. 86, P. 64-98 (In Russ.).
13. Katz I., Parks D. E. et al. NASCAP - A Three-dimensional charging analyzer program for complex spacecraft. IEEE Transactions on Nuclear Science. 1977, Vol. NS-24, No. 6, P. 2276.
14. Novikov L. S., Babkin G. V. et al. Kompleksnaya metodologiya opredeleniya parametrov elektrostatiches-koy zaryadki, elektricheskikh poley i proboyev na kosmicheskikh apparatakh vusloviyakh ikh radiatsionnoy elektrizatsii. [Complex methodology of determination of criteria of electrostatic charging, electric fields and discharges on space craft in radiation electrization conditions], Moscov, Izd-vo TsNIImash Publ., 1995, 160 p.
15. MIL-STD-461, Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment, 1999, US Department of Defense.
© Тихомиров Р. Е., Максимов И. А., Трофимчук Д. А., Иванов В. В., Маслов Е. П., 2016
