CC BY
27
Защита ракетно-космической аппаратуры
от электромагнитных и радиационных излучений
Резюме. Описаны новые способы и материалы для защиты радиоэлектронной аппаратуры и научных приборов от электромагнитных полей и радиационных излучений космического пространства.
Ключевые слова: электромагнитные излучения, радиационные излучения, многослойные пленочные экраны, радиационная локальная защита, ракетно-космическая аппаратура.
Электромагнитные (ЭМИ) и ионизирующие (ИИ) излучения являются одними из основных дестабилизирующих факторов, воздействующих на элементы, блоки, приборы и аппаратуру ракетно-космических комплексов в условиях космического пространства (КП). Они представляют серьезную угрозу для надежной и стабильной работы в течение всего срока активного существования (САС) бортовой ракетно-космической аппаратуры.
В последние годы в связи с бурным развитием электротехнической, радиоэлектронной, информационной и военной техники значительно повысился уровень электромагнитного фона, расширился диапазон используемых частот ЭМИ, возросла их амплитуда. Кроме того, развитие
Сергей Грабчиков,
главный научный сотрудник Научно-практического центра НАН Беларуси по материаловедению, доктор физико-математических наук
бортовой ракетно-космической техники происходит в направлении минимизации массы и габаритов приборов и аппаратуры, увеличения плотности их компоновки. Все это значительно осложняет проблему формирования электромагнитной обстановки, обеспечивающей нормальное функционирование и электромагнитную совместимость (ЭМС) электронных приборов и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Основным и наиболее эффективным способом защиты от ЭМИ является экранирование. Многие специалисты ведущих стран мира работают над созданием высокоэффективных широкополосных электромагнитных экранов [1].
Вторая, не менее важная проблема связана с обеспечением эксплуатационной надежности приборов и аппаратуры в условиях
повышенного уровня радиационных воздействий различного типа в КП (электроны, протоны, тяжелые заряженные частицы и др.). Потоки заряженных частиц с энергиями от ~0,1 МэВ/нуклон до ~10 ГэВ/нуклон являются одной из основных причин нарушения работоспособности технических систем в КП (в первую очередь электронных систем), ограничивая тем самым их САС [2]. Существует несколько путей повышения радиационной стойкости: применение специализированных технологических процессов и материалов на этапе изготовления бортовой аппаратуры и интегральных микросхем (ИМС), конструкционная защита из материалов на основе алюминия, метод мажоритирова-ния и др. Во многих случаях данные методы защиты недостаточны и радиационные воздействия все еще высоки, поэтому для наиболее уязвимых элементов ракетно-космической аппаратуры следует использовать дополнительную радиационную защиту.
В связи с вышеизложенным ясна актуальность разработки новых материалов и технологий для высокоэффективных электромагнитных и радиационных экранов. При этом временные, финансовые и материальные затраты, возникающие в процессе выполнения данных работ, несопоставимы с издержками и потерями при эксплуатации изделий ракетно-космической техники.
Защита
от электромагнитных излучений
Электронные компоненты, РЭА и научная аппаратура ракетно-космических систем должны быть надежно защищены от воздействий широкого спектра ЭМИ (0^100 ГГц). Источниками данного излучения могут являться как естественные (солнечное космическое и галактическое
Рис. 1. Оптические изображения шлифов МПЭ системы N1Ре/Си, содержащих:
A)50 слоев
ШРе + 49 слоев Си; Б) 8 слоев ШРе + 7 слоев Си;
B)5 слоев ШРе + 4 слоя Си
Рис. 2.
Сборка блока сканирования для КА проекта «Бепи Коломбо», содержащего ЛШД, экранированный по технологии МПЭ (ИКИ РАН)
космическое излучения, магнитосфера Земли, атмосферные явления), так и искусственные (радиопередающая и электронная аппаратура, нештатные ситуации в системах энергообеспечения) объекты.
Традиционные методы экранирования с помощью массивных листовых и ленточных материалов на основе железа и его сплавов во многих случаях позволяют решить проблему электромагнитной защиты, однако это дорогостоящий, технологически сложный и материалоемкий путь. Перспективная и высокоэффективная альтернатива - многослойные экраны, состоящие из слоев с различными волновыми сопротивлениями. Уровень энергетических потерь при взаимодействии ЭМИ с металлическим экраном определяется двумя факторами: отражением волны от поверхности экрана и затуханием преломленной волны в теле экрана [1].
В многослойных экранах работают оба фактора, но за счет эффекта многократного отражения между слоями эффективность экранирования существенно возрастает по сравнению с однородными материалами [1, 3].
В НПЦ НАН Беларуси по материаловедению разработан новый способ формирования многослойных пленочных экранов (МПЭ), содержащих чередующиеся слои материалов с высокой магнитной проницаемостью (|i) и слои материалов с высокой электропроводностью (а) [4]. Он позволяет в едином технологическом цикле наносить МПЭ на различные корпуса и изделия сложной геометрической формы, варьировать в широких диапазонах толщину и количество отдельных слоев. Характерные оптические изображения шлифов МПЭ системы NiFe/Cu с различным внутренним строением представлены на рис. 1.
Совместно с Институтом космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) в рамках программы Союзного государства «Космос-НТ» в 20082011 гг. была успешно решена задача по обеспечению электромагнитной совместимости блоков бортовой аппаратуры японского космического аппарата Mercury Magnetospheric Orbiter (ММО), содержащих линейные шаговые двигатели (ЛШД), блок электроники и оптическую систему (разработчик - ИКИ РАН). Проблема состояла в том, что основным прибором научного комплекса являлся высокоточный магнетометр и что космический аппарат должен быть «магниточистым». Вместе с тем магнитометр размещен на расстоянии 0,7 м от приводов сканирующей системы, содержащих ЛШД, которые, в свою очередь, индуцировали помехи. Прибор надо было экранировать, однако согласовать требования по массогабаритным параметрам с технологией изготовления экранов из традиционных массивных материалов в принципе было невозможно.
В НПЦ НАН Беларуси по материаловедению на стандартных алюминиевых корпусах ЛШД по технологии МПЭ были сформированы электромагнитные экраны. Приемочные испытания показали, что при включении ЛШД уровень электромагнитных помех возрастал на 30-50 дБ по сравнению с фоновым режимом, а использование МПЭ позволило без каких-либо конструкционных доработок и с минимальными изменениями массогаба-ритных параметров, в диапазоне частот от 100 Гц до 10 МГц полностью убрать наводки, генерируемые ЛШД, и тем самым обеспечить «магниточистые» условия эксплуатации. Процесс сборки блока сканирования в ИКИ РАН для японского аппарата ММО представлен на рис. 2. В настоящее время по международному
проекту «Бепи Коломбо» успешно идет подготовка к запуску на планету Меркурий с Европейского космодрома Куру двух КА - японского ММО и европейского МРО.
При работе в околоземном КП научная аппаратура подвергается интенсивному воздействию внешних постоянных магнитных и переменных электромагнитных полей [5]. Так, например, максимальная индукция постоянного магнитного поля вдоль орбиты станции «Мир» достигает 0,06 мТл, а ее вариации - 0,04 мТл. Эти поля негативно влияют на работу фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и других приборов, принцип действия которых основан на регистрации движущихся заряженных частиц, а именно: приводят к снижению значений коэффициента усиления и искажению полезного сигнала.
В рамках программы Союзного государства «Нанотехноло-гия-СГ» совместно с Национальным исследовательским ядерным университетом «Московский инженерно-физический институт» (НИЯУ «МИФИ») в 2009-2012 гг. была успешно доработана и применена технология МПЭ для защиты научных приборов от воздействия постоянных магнитных и низкочастотных электромагнитных полей [6]. Серийный ФЭУ-85 в стандартном исполнении и ФЭУ-85, защищенный МПЭ, представлены на рис. 3а. Экраны на основе МПЭ полностью устраняют влияние слабых магнитных полей с индукцией до 0,5 мТл на работу ФЭУ и снижают их воздействие на амплитудное разрешение импульсов [7, 8]. Образцы ФЭУ с МПЭ предназначены для гамма-спектрометра «Сигнал», разрабатываемого в НИЯУ «МИФИ» для КА «Интергелиус-Зонд».
Другой наглядный пример успешного применения технологии МПЭ - результаты по защите навигационных аэрокосмических приборов от воздействия
постоянных магнитных полей (ПМП), в частности снижения разрешающей способности и стабильности нулевой точки прибора. Основной способ борьбы с влиянием ПМП - магнитоста-тическое экранирование. В практике обычно использовали фольгу из аморфных металлических сплавов. Традиционно изготовление экранов проводят путем клеевой сборки аморфной фольги в пакеты из 10 слоев (толщина фольги 30 мкм) и последующей их термообработки. Это весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс, он не обеспечивал желаемого результата.
В чем причина неудачного решения защиты прибора ВОГ-35 с помощью аморфной фольги? Обычно для достижения максимальной эффективности экранирования статических магнитных полей рекомендуется использовать материалы, обладающие максимальными значениями ц. Промышленная аморфная фольга характеризуется высокими значениями цтах ~105^106. Вместе с тем в этих материалах в области магнитных полей свыше 50^100 А/м значения ц снижаются - и эффективность экранирования падает. По условиям эксплуатации прибора ВОГ-35 требовалось обеспечить защиту в области ПМП от 100 до 400 А/м, что с помощью аморфной фольги сделать практически невозможно. Применение МПЭ обеспечило эффективную защиту деталей корпуса волоконно-оптического гироскопа от ПМП (рис. 3б). Таким образом,
при проектировании и изготовлении магнитных экранов требуется учитывать не только толщину, геометрические размеры экранов и значения |i, но и характер зависимости |i от величины напряженности внешнего магнитного поля [9].
Технология МПЭ имеет ряд существенных преимуществ перед традиционным методом изготовления листовых, фольговых и составных электромагнитных экранов или технологией вакуумного напыления многослойных пленок. Среди достоинств можно отметить высокую эффективность экранирования и низкие массогабаритные параметры, возможность формирования МПЭ в едином технологическом цикле на стандартных корпусах и блоках РЭА, варьирование в широких диапазонах количества и толщины отдельных слоев. Для реализации данного технологического процесса в НПЦ НАН Беларуси по материаловедению создан производственный участок со средней производительностью до 300^400 дм2 МПЭ в месяц.
Защита
от радиационных излучений
При использовании стандартных материалов конструкционной защиты КА уровни радиационных воздействий оказываются еще достаточно высокими. Необратимые изменения в полупроводниковых приборах и ИМС происходят при
Рис. 3.
А) Фотоэлектронные
умножители
(ФЭУ-85)
без экрана и с МПЭ; Б) детали корпуса навигационного аэрокосмического прибора ВОГ-35 с МПЭ
Тема номера
Рис. 4
А)Синтезирован-ные образцы композиционного материала W-Cu, Б) металлокера-мический 144-выводной корпус
с экранами РЛЗ
значениях поглощенных доз радиации Б>105+106 рад и Б>104+105 рад соответственно [10]. Такие уровни радиационной стойкости элементной базы не обеспечивают требуемого САС КА даже при работе в условиях ряда околоземных орбит, не говоря уже о полетах на другие планеты Солнечной системы. Поэтому для наиболее критичных узлов и элементов аппаратуры, ИМС следует использовать радиационную локальную защиту (РЛЗ).
Исходя из общих представлений о взаимодействии ИИ с веществом, следует, что материал, эффективный для защиты электронных компонентов и ИМС от воздействия электронов и протонов КП, должен иметь композиционную структуру, а его химический состав - содержать элементы с большим порядковым номером [10]. Материалы РЛЗ также должны обеспечивать технологическую совместимость с материалами, используемыми для сборки изделий микроэлектроники (металлокерамических корпусов, гибридных и модульных сборок и т.д.), что предполагает выполнение операции механической обработки, согласование по коэффициентам термического расширения, высокую способность к пайке и др. Учитывая данные требования, в качестве материала для синтеза образцов РЛЗ мы выбрали композиты системы вольфрам-медь.
На их основе в НПЦ НАН Беларуси по материаловедению совместно с ОАО «Интеграл» -управляющая компания холдинга «Интеграл» были разработаны и изготовлены экраны РЛЗ для металлокерамических корпусов ИМС (рис. 4). Проведенные на серийных больших интегральных микросхемах ППЗУ 1632РТ 1Т (перепрограммируемые запоминающие устройства) испытания показали, что РЛЗ на основе композитов W-Cu толщиной 1,2+1,5 мм обеспечивает снижение радиационной нагрузки по электронам с энергией 1,6+1,8 МэВ в 145+155 раз, по протонам с энергией от 0,04 до 500 МэВ - в 6 раз.
Полученные результаты позволили сделать вывод, что разработанные экраны РЛЗ обеспечивают эффективную радиационную защиту электронных компонентов [11]. Они обладают следующими основными преимуществами:
■ обеспечение повышенной радиационной стойкости ИМС, электронных компонентов
и аппаратуры;
■ использование электронных компонентов коммерческого
и индустриального классов для космических приложений, снижение затрат на комплектацию при производстве космической аппаратуры;
■ снижение весовых и габаритных параметров по сравнению со стандартными методами конструктивной защиты.
Таким образом в НПЦ НАН Беларуси по материаловедению разработан новый, не имеющий аналогов в мире, технологический процесс формирования электромагнитных многослойных экранов на корпусах приборов и элементов широкого спектра назначения.
Совместно с ОАО «Интеграл» - управляющая компания холдинга «Интеграл» выполнен цикл работ по исследованию оптимальных по структуре
и эффективности поглощения ИИ композиционных материалов. Изготовлены радиационные экраны, обеспечивающие высокоэффективную защиту электронных компонентов и ИМС в условиях, близких к условиям радиационного пояса Земли.
Коллегия Министерства промышленности Республики Беларусь и НАН Беларуси поддержали выдвижение совместной работы ОАО «Интеграл» - управляющая компания холдинга «Интеграл», ОАО «Планар», ИТМО НАН Беларуси им. А.В. Лыкова и НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, ряд результатов которой изложен в настоящей статье, на соискание Государственной премии Республики Беларусь в области науки и техники 2016 года. Этот факт подтверждает возрастающую роль новых материалов и технологий в производстве современных изделий радиоэлектронной и микроэлектронной техники. СИ
See: http://innosfera.by/ 2016/04/hardware_protection
Литература
1. КечиевЛ.Н., Акбашев Б.Б.,Степанов П.В..Экранирование технических средств и экранирующие системы.- М., 2010.
2. Модель космоса / под ред. М.И. Панасюка. Т. 1.- М., 2007.
3. Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования.-Л., 1975.
4. ГрабчиковС.С., Сосновская Л.Б., Шарапа Т.Е. Многослойный электромагнитный экран. Патент Республики Беларусь №11843 от 28.01.2009.
5. Яновский Б.М.. Земной магнетизм.- Л., 1978.
6. Дмитренко В.В., Батищев А.Г., Грабчиков С.С. и др. Многослойный электромагнитный экран для защиты фотоэлектронных умножителей и способ его нанесения. Патент на изобретение РФ №2474890 от 10.02.2013.
7. Dmitrenko V.V., David Besson, Grabchikov S.S. et al. Multilayer film shields for the protection of PMT from constant magnetic field. Review of Scientific Instruments. Vol. 86. 2015. p. 013903-1-013903-3.
8. Дмитренко В.В., Грабчиков С.С., Ньюнт П.В. и др. Перспективы использования многослойных пленочных экранов для защиты космической аппаратуры от постоянных магнитных полей // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2015, №5, С 43-48.
9. Grabchikov S. S., Trukhanov A. V., Kazakevich I. S. et. al. Effectiveness of the magnetostatic shielding by the cylindrical shells. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2016, V. 398. Р.49-53.
10. Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов. Под ред. Г.Г. Райкунова. М., 2013.
11. Василенков Н.А., Грабчиков С.С., Максимов А.Ю., Ластов-ский С.Б. В борьбе с радиацией // Российский космос. 2015, №5 (113). С. 38-41.
