СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРАНСФОРМАЦИИ ТОКА, ПРОТЕКАЮЩЕГО ПО ЭЛЕМЕНТАМ ВНЕШНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, В НАПРЯЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ НАВОДКИ ВО ФРАГМЕНТАХ БОРТОВОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01R27/04 

Изобретение относится к космической технике и предназначено для измерения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по этим элементам.

Космический аппарат на околоземной орбите подвергается воздействию факторов космического пространства. К таким факторам относятся потоки электронов и ионов околоземной космической плазмы, жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, вакуум, термоциклирование. Воздействие перечисленных факторов на материалы внешней поверхности космического аппарата вызывает обильную вторичную электронную эмиссию и фотоэмиссию, температурное изменение электрофизических параметров материалов. Все перечисленное особенно существенно для высокоорбитальных космических аппаратов во время геомагнитных возмущений в магнитосфере Земли. В результате воздействия перечисленных факторов космического пространства происходит дифференциальное заряжение поверхности космического аппарата, при этом разность потенциалов между элементами аппарата из различных материалов достигает нескольких киловольт. Такая высокая разность потенциалов приводит к возникновению на поверхности космического аппарата электростатических разрядов, которые вызывают обратимые и необратимые отказы бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Такое сильное воздействие разрядов на работу бортовой электроники обусловлено как параметрами разрядных импульсов, так и повышенной чувствительностью бортовой электроники к таким воздействиям. Это связано с тем, что развитие космической техники предполагает применение элементной базы обладающей все более высокой степенью интеграции микросхем, большими функциональными возможностями, пониженным энергопотреблением, снижением массогабаритных параметров. Однако в той же степени растет чувствительность элементной базы электроники к воздействию электростатических разрядов.

Таким образом, источниками помех для бортовой электроники служат электростатические разряды, а основными рецепторами помех являются фрагменты бортовой кабельной сети, проложенные по внешней поверхности космических аппаратов.

Для повышения стойкости космических аппаратов к факторам электризации снижают частоту и мощность электростатических разрядов на поверхности космического аппарата путем применения материалов, обладающих пониженной электризуемостью. Поскольку таким путем полностью исключить электростатические разряды не удается, необходимо на этапе эскизного проектирования космического аппарата проводить расчеты электромагнитных наводок в бортовой кабельной сети. В этом случае в технических заданиях на разработку электронных блоков будут заложены величины помеховых сигналов, при которых эти электронные блоки должны сохранять свою работоспособность.

Для расчета электромагнитных наводок в бортовой кабельной сети применяется метод структурного электрофизического моделирования, который основан на представлении конструкции космического аппарата эквивалентной электрической схемой, состоящей из R, L и С элементов. Электростатические разряды в этой схеме имитируются источниками тока. Структурная электрофизическая модель электризации космических аппаратов используется для получения картины растекания токов по элементам конструкции аппарата от электростатических разрядов на его поверхности. Эта картина растекания токов служит в дальнейшем исходной информацией для расчета электромагнитных наводок во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по внешней поверхности космического аппарата.

Особенностью изложенного подхода является использование в расчетах электромагнитных наводок во фрагментах бортовой кабельной сети экспериментально определяемого коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам поверхности космического аппарата, в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети.

Коэффициент трансформации тока, протекающего по элементу поверхности космического аппарата, в напряжение наводки во фрагменте бортовой кабельной сети - это напряжение электромагнитной наводки во фрагменте БКС единичной длины при импульсном токе с единичной амплитудой, протекающем по этому элементу.

Известен способ и устройство определения сопротивления связи кабельного экрана, заключающийся в том, что в непосредственной близости от испытуемого образца кабеля, поверх испытуемого образца кабеля и коаксиально ему располагают дополнительный проводник, имеющий форму трубки, на ближнем конце к цепи, образованной дополнительным проводником и экраном испытуемого образца кабеля, подключают генератор и возбуждают в этой цепи испытательный синусоидальный сигнал, на дальнем конце дополнительный проводник соединяют с экраном испытуемого образца кабеля, цепь, образованную жилой и экраном испытуемого образца кабеля, нагружают по концам на согласованные сопротивления, измеряют напряжение на ближнем конце цепи, образованной дополнительными проводником и экраном испытуемого образца кабеля, измеряют напряжение на дальнем конце цепи, образованной жилой и экраном испытуемого образца кабеля, после чего определяют сопротивление связи экрана по соответствующей формуле. (ГОСТ 11326.0-78. Кабели радиочастотные).

Известный способ предназначен для определения сопротивления связи кабельного экрана при воздействии синусоидального сигнала и не может быть использован при воздействии импульсного тока, имитирующего протекание электростатических разрядов (ЭСР).

Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является следующий способ определения сопротивления связи кабельных экранов, в котором также описано устройство для его осуществления В соответствие с известным способом параллельно испытуемому образцу кабеля располагают дополнительный проводник так, чтобы расстояние между центрами дополнительного проводника и экрана испытуемого образца кабеля было постоянно вдоль всей длины испытуемого образца кабеля, на ближнем конце к цепи, образованной дополнительными проводником и экраном испытуемого образца кабеля, подключают генератор и возбуждают в этой цепи испытательный гармонический сигнал, измеряют напряжения на согласованных сопротивлениях нагрузки, подключенных к ближним и дальним концам цепей, одна из которых образована дополнительными проводником и экраном испытуемого образца кабеля, а другая образована жилой и экраном испытуемого образца кабеля, а сопротивление связи и проводимость связи экрана определяют из соответствующих выражений. (Патент РФ №2013779, МПК G01R 27/04, опубл. 1994.05.30).

Известный способ учитывает переход энергии за счет электрической связи, что исключает погрешность, связанную с пренебрежением проводимостью связи экрана. Это позволяет в способе проводить измерения для длинных цепей, что позволяет существенно снизить погрешность, обусловленную паразитными связями на концах кабеля между цепью генератора и измерительными цепями. Однако и этот способ не позволяет проводить измерения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам корпуса КА, в напряжение наводки во фрагментах БКС при импульсном воздействии.

Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении достоверности и точности определения электромагнитных наводок во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по внешней поверхности космических аппаратов, за счет обеспечения возможности определения по предлагаемому способу коэффициента трансформации импульсного тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по этим элементам.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, согласно предложенному изобретению испытуемый кабель размещают на средстве, имитирующем элемент внешней поверхности космического аппарата (КА), испытуемый фрагмент бортовой кабельной сети (БКС) с двух сторон нагружен на сопротивления, имитирующие реальную рабочую нагрузку, генерируют импульсный ток, параметры импульса которого соответствуют реальным параметрам электростатических разрядов на поверхности космического аппарата (КА), пропускают импульсный ток с амплитудным значением I по средству, имитирующему элемент внешней поверхности космического аппарата, измеряют напряжение электромагнитной наводки U в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети и определяют значение коэффициента трансформации тока К_mр., протекающего по средству, имитирующему элемент внешней поверхности космического аппарата, длиной L, в напряжение электромагнитной наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети, из соотношения

K_mp.=U/I·L,

где

К_mр. - значение коэффициента трансформации импульсного тока в напряжение наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети;

I - амплитудное значение импульсного тока;

L - длина средства, имитирующего элемент внешней поверхности космического аппарата.

При этом значения параметров разряда импульса выбирают из условий: амплитуда тока разряда - (10-100) А, длительность импульса - (30-1500) нс, длительность переднего фронта - (1-20) нс, энергия разряда до (0,02-0,2) Дж.

Поставленная техническая задача решается также тем, что устройство для измерения коэффициента трансформации тока, включающее испытательный генератор помех, блок нагрузки, соединенный с испытуемым фрагментом бортовой кабельной сети (БКС), согласно предложенному изобретению включает средство, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата, соединенное с испытательным генератором помех, на котором размещен испытуемый фрагмент бортовой кабельной сети, измеритель напряжения электромагнитной наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети, присоединенный параллельно сопротивлению нагрузки на одном из концов испытуемого кабеля, устройство снабжено защитными кожухами, экранирующими места соединения блока нагрузки с испытуемым фрагментом бортовой кабельной сети и измерителем электромагнитной наводки.

Технический результат, достижение которого обеспечивается всей заявленной совокупностью существенных признаков, состоит в обеспечении возможности измерения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети (БКС), проложенных по этим элементам, что позволяет наиболее точно определить величины электромагнитных наводок во фрагментах БКС, коммутирующих электронные блоки космического аппарата, изготовить эти электронные блоки нечувствительными к таким наводкам, обеспечивая тем самым безотказное функционирование электронных блоков КА при воздействии ЭСР, за счет чего повышается стойкость бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА) КА к эффектам электризации.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена блок-схема устройства, реализующего способ.

Предлагаемое устройство (см. чертеж) состоит из автономного, питающегося от аккумуляторной батареи испытательного генератора помех 1, обеспечивающего параметры разрядного импульса, имитирующего реальные параметры электростатических разрядов на поверхности космического аппарата (КА), средства 2, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата, по которому протекает импульсный ток от испытательного генератора помех 1 и по которому во время измерений проложен испытуемый фрагмент БКС 4. Средство 2, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата, может быть выполнено, например, в виде рабочего стола. Соответствующие провода кабеля, в которых измеряется сигнал электромагнитной наводки, нагружены на сопротивления, имитирующие реальную нагрузку от электронных блоков, которые коммутируют данный фрагмент БКС. Места присоединения сопротивлений, имитирующих реальную нагрузку от электронных блоков (имитаторов нагрузки), к фрагменту БКС и место присоединения кабеля от измерителя наводки 5 экранируются защитными кожухами 3. В качестве измерителя наводки 5 может быть использован, например, осциллограф с полосой пропускания не менее 300 мГц.

Предложенный способ осуществляют следующим образом. Испытуемый фрагмент БКС 4 размещают на средстве 2, имитирующем элемент внешней поверхности космического аппарата (рабочем столе), при этом соответствующие провода испытуемого фрагмента бортовой кабельной сети (БКС) нагружены на сопротивления, имитирующие реальную рабочую нагрузку и места присоединения рабочих нагрузок, параллельно одной из которых присоединяется кабель от измерителя величины электромагнитной наводки, экранируются защитными кожухами 3.

С помощью испытательного генератора помех 1 генерируют импульсный ток, параметры разряда импульса которого соответствуют реальным параметрам электростатических разрядов на поверхности космического аппарата (КА). Электростатические разряды (ЭСР) характеризуются следующими параметрами:

Амплитуда тока разряда - (10-100) А

Длительность импульса - (30-1500) нс

Длительность переднего фронта - (1-20) нс

Энергия разряда (0,02-0,2) Дж

поэтому значения параметров разряда импульса выбирают, учитывая вышеуказанные значения.

Пропускают импульсный ток по средству 2, имитирующему элемент внешней поверхности космического аппарата и измеряют величину электромагнитной наводки U измерителем наводки 5. В качестве измерителя наводки может быть использован, например, осциллограф с полосой пропускания не менее 300 мГц.

Значение коэффициента трансформации тока К_mр., протекающего по средству 2, имитирующему элемент внешней поверхности космического аппарата, длиной L, в напряжение электромагнитной наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети, определяют из соотношения

K_mp.=U/I·L,

где

К_mр. - значение коэффициента трансформации импульсного тока в напряжение наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети;

I - амплитудное значение импульсного тока;

L - длина средства, имитирующего элемент внешней поверхности космического аппарата.

Пример осуществления заявленного способа с использованием заявленного устройства.

На рабочем столе устройства, имитирующем элемент внешней поверхности космического аппарата, помещался испытуемый коаксиальный кабель РК-50/1 длиной 3 м. С двух сторон кабель был нагружен на согласованные нагрузки величиной 50 Ом, имитирующие реальную нагрузку от электронных блоков. Длина рабочего стола L составляла 0,4 м. Во время испытаний по рабочему столу пропускали импульс тока с амплитудным значением I=10 А. С помощью осциллографа Tectronix 3032B измеряли напряжение U электромагнитной наводки в испытуемом кабеле, величина которого составила U=0,63 В. Значение коэффициента трансформации тока

К_mр., протекающего по рабочему столу длиной L, в напряжение электромагнитной наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети, определили из соотношения

K_mp.=U/I·L=0,63 В/10 А·0,4 м = 0,1575 В/А·м

Предложенные способ и устройство позволяют точно и достоверно определить величины электромагнитных наводок во фрагментах бортовой кабельной сети (БКС), которые коммутируют электронные блоки, что дает возможность при проектировании космического аппарата разрабатывать электронные блоки, функционирующие без сбоев при заданных величинах электромагнитных наводок, повышая тем самым стойкость бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА) КА к эффектам электризации.

Изобретение предназначено для измерения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по этим элементам. В способе определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, испытуемый кабель размещают на средстве, имитирующем элемент внешней поверхности космического аппарата (КА), испытуемый фрагмент бортовой кабельной сети (БКС) с двух сторон нагружен на сопротивления, имитирующие реальную рабочую нагрузку, генерируют импульсный ток, параметры импульса которого соответствуют реальным параметрам электростатических разрядов на поверхности космического аппарата (КА), пропускают импульсный ток с амплитудным значением I по средству, имитирующему элемент внешней поверхности космического аппарата, измеряют напряжение электромагнитной наводки U в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети и определяют значение коэффициента трансформации тока К_mp., протекающего по средству, имитирующему элемент внешней поверхности космического аппарата, длиной L, в напряжение электромагнитной наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети из соотношения. Также предложено устройство для осуществления способа. Предлагаемое изобретение обеспечивает повышение достоверности и точности определения электромагнитных наводок во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по внешней поверхности космических аппаратов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, заключающийся в том, что испытуемый кабель размещают на средстве, имитирующем элемент внешней поверхности космического аппарата (КА), испытуемый фрагмент бортовой кабельной сети (БКС) с двух сторон, нагружен на сопротивления, имитирующие реальную рабочую нагрузку, генерируют импульсный ток, параметры импульса которого соответствуют реальным параметрам электростатических разрядов на поверхности космического аппарата (КА), пропускают импульсный ток с амплитудным значением I по средству, имитирующему элемент внешней поверхности космического аппарата, измеряют напряжение электромагнитной наводки U в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети и определяют значение коэффициента трансформации тока К_mр., протекающего по средству, имитирующему элемент внешней поверхности космического аппарата, длиной L, в напряжение электромагнитной наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети из соотношения
K_mp.=U/I·L,
где К_mp. - значение коэффициента трансформации импульсного тока в напряжение наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети;
I - амплитудное значение импульсного тока;
L - длина средства, имитирующего элемент внешней поверхности космического аппарата.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения параметров разряда импульса выбирают из условий: амплитуда тока разряда (10-100) А, длительность импульса (30-1500)нс, длительность переднего фронта (1-20)нс, энергия разряда до (0,02-0,2)Дж.

3. Устройство для измерения коэффициента трансформации тока, включающее испытательный генератор помех, блок нагрузки, соединенный с испытуемым фрагментом бортовой кабельной сети (БКС), отличающееся тем, что включает средство, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата, соединенное с испытательным генератором помех, на котором размещен испытуемым фрагментом бортовой кабельной сети, измеритель напряжения электромагнитной наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети, присоединенный параллельно блоку нагрузки на одном из концов испытуемого кабеля, устройство снабжено защитными кожухами, экранирующими места соединения блока нагрузки с испытуемым фрагментом бортовой кабельной сети и измерителем электромагнитной наводки.