СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК B64G1/10 B64G1/22 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Одним из показателей качества КА является надежность их функционирования, определяемая, в частности, уровнем отказоустойчивости и длительностью функционирования.

Существующие способы обеспечения и повышения надежности КА основаны на определении интенсивности отказов КА и длительности его функционирования, устранении дефектов и совершенствовании КА и его основных элементов, таких как оптико-электронная аппаратура (ОЭА) КА ДЗЗ и его системы жизнеобеспечения (систем электропитания, управления, терморегулирования, связи, двигательные установки и другие). Комплекс взаимосвязанных требований и мероприятий, направленных на выполнение заданных в документации на изделие требований по надежности на соответствующей стадии жизненного цикла представлен в ГОСТах (ГОСТ 27.002-89 - Надежность в технике; ГОСТ 27.410-87 - Методы контроля показателей надежности и плана контрольных испытаний) и дан в справочнике Ю.К.Беляев, В.А.Богатырев и др. Надежность технических систем. - М.: Радио и связь, 1985 г.

В условиях длительного функционирования при воздействии внешних факторов, таких как ионизирующее излучение космического пространства (ИИКП), лоцирующие воздействия радиолокационных станций (СВЧ-излучение) и оптическое (лазерное) излучение аналогичных станций, длительность функционирования и отказоустойчивость существенно зависят от этих воздействий. Совершенствование КА, в особенности его наименее стойких систем, таких как ОЭА и систем управления, идет по пути повышения стойкости ее систем к этим воздействиям, в частности повышение стойкости электро-радиоизделий (ЭРИ), а также использование схемно-технических решений при разработке его аппаратуры и средств конструктивно-компоновочной защиты. Анализ различных способов повышения стойкости, а следовательно, надежности аппаратуры дан в работе Л.О.Мырова, А.З.Чепыженко Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионозондирующим и электромагнитным излучениям. - М.: Радио и связь, 1988 г. Влияние различных видов воздействия на аппаратуру и ее элементы, представлено в работах Т.М.Агаханян и др. Радиационные эффекты в интегральных микросхемах. - М.: Энергоатомиздат, 1989 г. и Виде А.Дж., Улкас Э.П. Методы расчета воздействия на электронную аппаратуру спутника импульсов электромагнитного излучения, генерируемых искровыми разрядами из диэлектрических материалов. Аэрокосмическая техника, №3, 1989 г. Однако эти средства имеют свои естественные ограничения, связанные с ограничением возможностей этапа отработки, проводимой при отдельных видах автономных испытаний и действии внутренних и внешних воздействующих факторов, которые существенно отличаются от комплексного воздействия всех факторов на этапе длительной эксплуатации КА. Поэтому в условиях длительного функционирования и воздействия ионизирующих и других излучений вопросы повышения надежности и срока активного существования являются актуальными. Предлагаемый способ направлен на расширение возможностей повышения надежности КА ДЗЗ.

Сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Способ повышения надежности КА ДЗЗ, основанный на определении интенсивности отказов, длительности его функционирования, устранении дефектов и совершенствовании КА и его составных систем, аппаратуры отличается тем, что дополнительно диагностируют методами и средствами информационной технологии на борту входные и выходные электротехнические параметры ОЭА, определяют динамику их изменения и влияние этих изменений на обнаружительную способность (D*) ОЭА, при этом устанавливают причинно-следственную связь изменений D* и электрических параметров ОЭА путем сравнения нормированных выходных параметров ОЭА с их значениями, определяемыми модельным влиянием внешних воздействующих факторов: ионизирующих излучений космического пространства, СВЧ и оптических излучений при наземной отработке аппаратуры, систем; затем осуществляет обратную связь с входными электротехническими параметрами путем их регулирования до уровня, обеспечивающего компенсацию изменения выходных параметров в процессе эксплуатации. Кроме того, диагностику параметров ОЭА и формирование управляющего воздействия в цепи обратной связи на борту выполняют в автоматическом режиме, при этом контроль процессов управления осуществляет программируемыми средствами центр управления полетом КА или диагностику параметров ОЭА КА, управление и контроль формирования управляющего воздействия обратной связи на борту осуществляет программируемыми средствами центр управления полетом КА.

При этом формирование управляющего воздействия в цепи обратной связи аппаратуры и/или ее элементов осуществляют путем усиления накопленного изменения от нормированного значения выходного напряжения и подачи этого изменения на вход ОЭА или ее элементы от дополнительного источника электропитания; причинно-следственную связь изменений обнаружительной способности и электрических параметров от влияния внешних воздействующих факторов преобразуют в параметрическую зависимость обнаружительной способности от электротехнических параметров ОЭА, а влияние внешних воздействующих факторов моделируют воздействием электрических полей от источника электропитания, время воздействия которых удовлетворяет условию

,

где τ_э - время действия электрического потенциала источника электропитания;

τ_в - время воздействия внешних воздействующих факторов; при длительности, удовлетворяющей условию τ_э<<τ_в моделирование внешних факторов осуществляют ускоренными испытаниями ОЭА или ее элементов.

В условиях длительного функционирования КА, в частности ДЗЗ, и воздействия ИИ КП и других воздействиях происходит ухудшение характеристик, в особенности высокочувствительной аппаратуры, какой является ОЭА КА. Одной из важных характеристик ОЭА КА является ее обнаружительная способность D_λ*, которая определяет как дальность обнаружения, так и линейное разрешение на местности. При этом D_λ* зависит не только от параметров фотоприемного устройства (ФПУ), но и системы приема и преобразования информации (СППИ). Обнаружительная способность определяется следующим выражением:

где Q_B - поток фоновых фотонов в см^-2с^-1,

η - квантовая эффективность преобразования оптического излучения,

hν - энергия кванта излучения, Дж,

А_пр - площадь приемного элемента,

T_i - время накопления,

λ - длина волны максимальной чувствительности ФПУ,

с - скорость света,

g - проводимость усилителя,

С_Т - полная входная емкость усилительного каскада,

Т - эффективная температура ФПУ,

R₀ - сопротивление открытого ключа,

f_S - тактовая частота,

q - заряд электрона,

С_с - емкость опрашиваемой строки,

µ_p - подвижность дырок,

S₀ - скорость поверхностной рекомбинации,

n_i - концентрация носителей в инверсионном слое,

τ_р - время жизни неосновных носителей заряда,

N_d - концентрация доноров,

L - диффузионная длина,

Р_пор - пороговая мощность,

k - постоянная Больцмана,

W - глубина области положительного заряда.

На основании анализа механизмов воздействия различных видов излучений на параметры фотоприемного устройства (ФПУ) и системы приема и преобразования информации (СППИ) и с учетом дозовых зависимостей основных параметров определяем обнаружительную способность по выражению:

где D - доза облучения,

ε - диэлектрическая проницаемость полупроводника.

Изменение обнаружительной способности от энергии воздействующего СВЧ излучения можно представить в виде:

где R_ЭМИ - задается эмпирической зависимостью

R_0ЭМИ=R₀, если W_ЭМИ≤40 нДж,

R_0ЭМИ=R₀·e^-X, где , если 40<W_ЭМИ<80 нДж;

R_0ЭМИ=0,01R₀, если 80≤W_ЭМИ≤95 нДж.

q_ЭМИ - определяется из:

g_m=g_m0, если W_ЭМИ≤45 нДж,

g_m=g_m0·e^Z, , если 45<W_ЭМИ≤80 нДж,

С_{С ЭМИ,} С_{Т ЭМИ} - вычисляются зависимостью:

где С_Т, С_С - соответственно полная входная емкость цепи, используемой для измерения напряжения сигнала, и емкость столбца до воздействия;

С_{Т ЭМИ}, С_{С ЭМИ} - входная емкость цепи и столбца после воздействия ЭМИ;

W_ЭМИ - энергия воздействующего ЭМИ в нДж,

ΔТ_ЭМИ - рассчитывается как:

,

где W_ЭMИ - энергия электромагнитного поля в Дж,

С - удельная теплоемкость в Дж/г·град (для InSb равная 0,675 Дж/г·град),

ρ - плотность материала (для InSb ρ=5,85 г/см³),

V - нагреваемый объем материала.

Изменение удельной обнаружительной способности при кратковременном воздействии рассеянного лазерного излучения с длиной волны в спектральном диапазоне работы приемника можно представить следующей зависимостью:

где ,

W_ЛИ - энергия электромагнитного поля в Дж,

С - удельная теплоемкость в Дж/г·град (для InSb равная 0;675 Дж/г·град),

ρ - плотность материала (для InSb ρ=5,85 г/см³),

V - нагреваемый объем материала,

Q_B - темп фоновой засветки, определяемый в соответствии с механизмами, представленными в таблице.

Темп фоновой засветки в зависимости от механизмов засветки Механизм Плотность мощности Темп генерации фонового потока Фоновая засветка ФПУ 10^-12…10^-5 Вт/см² Q_B=2.10⁷…2.10¹⁴см^-2c^-l Повреждение (необратимое) группы засвеченных элементов ФПУ 10^-5…10^-3 Вт/см² Q_B=2.10¹⁴…2.10¹⁶см^-2с^-1 Повреждение матрицы ФПУ 10^-3…10^-1 Вт/см² Q_B=2.10¹⁶…2.10¹⁸см²с^-1

На фиг.1-3 приведены результаты модельных расчетов зависимости ФПУ на основе InSb при типичных исходных данных элементов от дозы ИИ, энергии СВЧ излучения, плотности мощности лазерного излучения. Видно существенное влияние на этих излучений.

Поскольку зависит от электротехнических характеристик ФПУ (сопротивление элементов приемника), СППИ (емкости, времени накопления заряда), то изменению можно поставить в соответствие электротехнические параметры (ток, напряжение, их временные характеристики).

На фиг.4-6 приведены экспериментальные зависимости сдвига напряжения плоских зон полевых электродов на основе InSb при 77К и темнового заряда за время интегрирования 1 мс от дозы воздействующего ионизирующего излучения, изменение обратного сопротивления МОП транзистора от энергии воздействующего СВЧ излучения и изменение фиксированного заряда в ФПУ от дозы лазерного облучения.

Эти зависимости дают возможность найти параметрическую зависимость обнаружительной способности от электрических параметров (тока, напряжения, временные характеристики) вида

при различных воздействующих факторах.

Так, согласно фиг.1 аппроксимация зависимости (D) при D≤10⁵ рад дает выражение

где - начальное (нормированное) значение,

k₁≈5.10^-6рад^-1 - тангенс угла наклона зависимости (D).

Напряжение смещения плоских зон на фиг.4 определяется выражением

где - тангенс угла наклона.

Тогда, выразив D из выражения (7) и подставив его в соотношение (6), найдем параметрическую зависимость обнаружительной способности от напряжения смещения для данных элементов ОЭА в виде:

При экспоненциальной аппроксимации зависимости, приведенной на фиг.1, в виде:

где D₀=10³ рад, k₃=1,8·10^-3.

Параметрическая зависимость обнаружительной способности от напряжения смещения для данных элементов ОЭА с учетом зависимости (7) выражается соотношением:

в широком диапазоне параметров.

Аналогичные зависимости измеряемых электротехнических параметров и целевой функции (обнаружительной способности) могут быть получены и для других воздействующих факторов, описанных выше, согласно их соответствующих функциональных связей для конкретных элементов.

Выражения (6-10) позволяют по заданным (определенным) значениям k₁, k₂ и k₃ в одном диапазоне D прогнозировать поведение , ΔV в другом диапазоне значений дозы.

Учет зависимостей (5-10) позволяет отметить такую важную особенность, как возможность моделировать один вид воздействия другим. В данном случае внешние воздействующие факторы (ионизирующее излучение космического пространства, СВЧ и оптическое излучение) могут быть промоделированы внутренним воздействующим фактором - электрическим потенциалом от источника электропитания. Это позволяет проводить ускоренные испытания по оценке влияния внешних воздействующих факторов в широком диапазоне параметров (доз). При этом время воздействия удовлетворяет условию

τ_э≤τ_в при малом времени внешних воздействующих факторов, где τ_э - время действия источника электропитания, τ_в - время воздействия внешних воздействующих факторов и τ_э<<τ_в при длительном внешнем воздействии.

В реальных условиях зависимости от электротехнических характеристик могут отличаться от расчетных модельных значений, то это соответствие необходимо пронормировать при наземной отработке как наиболее точное. Тогда после диагностики входных и выходных параметров ОЭА или ее элементов на борту и определении их изменений, сопоставлении с тестируемыми значениями и установлении причинно-следственной связи между параметрами формируют управляющее воздействие обратной связи выходного с входным сигналом путем усиления разницы выходного сигнала от тестируемого (нормированного) опорного значения, формируемого от дополнительного источника, и подачи его на вход аппаратуры и/или его элементы. При этом диагностику параметров ОЭА и формирование управляющего воздействия в цепи обратной связи на борту выполняют в автоматическом режиме, а контроль процессов осуществляет программными средствами центр управления полетом КА или управление, диагностику и контроль формирования управляющего воздействия обратной связи осуществляет программными средствами центр управления полетом КА.

Использование предлагаемого решения позволяет путем формирования управляющего воздействия скомпенсировать изменение обнаружительной способности ОЭА КА в процессе длительного функционирования и воздействия ИИ КП и лоцирующих СВЧ и оптических излучений тем самым позволяет значительно увеличить срок активного существования (САС).

Так, согласно оценок, компенсация влияния воздействия ИИ КП в диапазоне доз от 10⁵…10⁶ рад позволит увеличить САС на 1,5…2 года в зависимости от высоты орбиты (при компенсации снижения обнаружительной способности в этом диапазоне дозы на порядок величины).

Технико-экономическая эффективность предлагаемого решения заключается в повышении целевой эффективности (обнаружительной способности ОЭА КА ДЗЗ) в условиях длительного функционирования и воздействии ионизирующих излучений космического пространства и лоцирующих СВЧ и оптических излучений. Кроме того, предложенный способ позволяет проводить ускоренные испытания ОЭА и ее элементов в широком диапазоне параметров, моделируя внешние воздействующие факторы внутренними факторами электрическими полями от источника электропитания.

Группа изобретений относится к составным частям и оборудованию космических аппаратов (КА). Способ включает определение интенсивности отказов, длительности функционирования КА, устранение выявленных дефектов и совершенствование КА и его бортовой аппаратуры. При этом диагностируют на борту КА входные и выходные электротехнические параметры оптико-электронной аппаратуры (ОЭА), определяют динамику их изменения и влияние этих изменений на обнаружительную способность ОЭА. Устанавливают причинно-следственную связь данных изменений со значениями указанных параметров ОЭА, на которые влияют такие внешние факторы как ионизирующие излучения, СВЧ и оптические электромагнитные излучения. Затем формируют в автоматическом режиме управляющие воздействия на электротехнические параметры ОЭА в цепях обратной связи между входами и выходами элементов и блоков ОЭА. Тем самым регулируют значения параметров до уровня, обеспечивающего компенсацию их изменения в процессе эксплуатации. Контроль процесса управления осуществляет программными средствами центр управления полетом КА. Воздействие внешних факторов может моделироваться электрическим потенциалом от источника электропитания. При этом элементы и блоки ОЭА могут подвергаться ускоренным испытаниям с длительностью, существенно меньшей времени воздействия внешних воздействующих факторов. Технический результат группы изобретений заключается в повышении эффективности КА в условиях длительного функционирования при воздействии неблагоприятных факторов космического пространства, а также в возможности проведения ускоренных испытаний ОЭА в широком диапазоне рабочих параметров. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ повышения надежности космического аппарата (КА) дистанционного зондирования Земли, включающий определение интенсивности отказов КА, длительности его функционирования, устранение дефектов и совершенствование КА, его составных систем и оптико-электронной аппаратуры, отличающийся тем, что дополнительно диагностируют методами и средствами информационной технологии на борту входные и выходные электротехнические параметры оптико-электронной аппаратуры, определяют динамику их изменения и влияние этих изменений на обнаружительную способность этой аппаратуры, при этом устанавливают причинно-следственную связь изменений обнаружительной способности оптико-электронной аппаратуры от значений ее электротехнических параметров путем сравнения нормированных выходных параметров данной аппаратуры с их фактическими значениями, определяемыми влиянием внешних воздействующих факторов: ионизирующих излучений космического пространства, СВЧ и оптических электромагнитных излучений, затем в оптико-электронной аппаратуре осуществляют обратную связь с формированием управляющего воздействия на ее электротехнические параметры с их регулированием до уровня, обеспечивающего компенсацию изменения выходных параметров в процессе эксплуатации.

2. Способ повышения надежности КА по п.1, отличающийся тем, что формирование управляющего воздействия в цепи обратной связи в оптико-электронной аппаратуре и/или ее элементах осуществляют путем усиления накопленных данных об изменении выходных электротехнических параметров этой аппаратуры по сравнению с их нормированным значением и подачи этого изменения на вход ОЭА или ее элементы от дополнительного источника электропитания.

3. Способ повышения надежности КА дистанционного зондирования Земли, включающий определение интенсивности отказов КА, длительности его функционирования, устранение дефектов и совершенствование КА, его составных систем и оптико-электронной аппаратуры, отличающийся тем, что на борту в автоматическом режиме выполняют диагностику параметров указанной аппаратуры и формирование управляющего воздействия обратной связи, при этом контроль процессов управления осуществляют программными средствами центра управления полетом КА.

4. Способ повышения надежности КА по п.3, отличающийся тем, что диагностику параметров, формирование управляющего воздействия и контроль процессов управления в цепи обратной связи на борту осуществляют программными средствами из центра управления полетом.

5. Способ повышения надежности КА дистанционного зондирования Земли, включающий определение интенсивности отказов КА, длительности его функционирования, устранение дефектов и совершенствование КА, его составных систем и оптико-электронной аппаратуры, отличающийся тем, что преобразуют причинно-следственную связь изменений обнаружительной способности данной аппаратуры и ее электротехнических параметров от внешних воздействующих факторов в параметрическую зависимость этой обнаружительной способности от электротехнических параметров оптико-электронной аппаратуры, при этом воздействие внешних факторов моделируют электрическим потенциалом от источника электропитания, время воздействия которого удовлетворяет условию τ_э≤τ_в, где τ_э, τ_в - время воздействия от источника электропитания и внешних воздействующих факторов соответственно.

6. Способ повышения надежности КА по п.5, отличающийся тем, что моделирование воздействия внешних факторов электрическим потенциалом от источника электропитания осуществляют ускоренными испытаниями оптико-электронной аппаратуры и/или ее элементов при длительности указанных испытаний, удовлетворяющей условию τ_э<<τ_в.