Способ определения коэффициента трансформации тока в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети и устройство для его осуществления Российский патент 2025 года по МПК G01R29/20 

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 существенно для 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 не обратимые отказы бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Такое сильное воздействие разрядов на работу бортовой радиоэлектронной аппаратуры обусловлено как параметрами разрядных импульсов, так и повышенной чувствительностью бортовой радиоэлектронной аппаратуры 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 бортовой радиоэлектронной аппаратуры к воздействию электростатического разрядов.

Таким образом, источником помех для бортовой радиоэлектронной аппаратуры служат электростатические разряды, а основными рецепторами помех является фрагменты бортовой кабельной сети, проложенные по внешней поверхности космического аппарата.

Для повышения стойкости космического аппарата 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 техническом задании на разработку бортовой радиоэлектронной аппаратуры будут заложены величины помеховых сигналов, при которых эта бортовая радиоэлектронная аппаратура должна сохранять свою работоспособность.

Для расчета электромагнитных наводок в бортовой кабельной сети применяется метод структурного электрофизического моделирования, который основан на представлении конструкции космического аппарата эквивалентной 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 космического аппарата от электростатических разрядов на его поверхности. Эта картина растекания токов служит в дальнейшем исходной информацией для расчета электромагнитной наводки 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 фрагмент бортовой кабельной сети единичной длины при импульсном токе с единичной амплитудой, протекающем по этому элементу.

Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является следующий способ определения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, в соответствии с известным способом испытуемый кабель размещают на средстве, имитирующем элемент внешней поверхности космического аппарата, испытуемый фрагмент бортовой кабельной сети с двух сторон нагружен на сопротивления, имитирующие реальную рабочую нагрузку, генератором помех генерируют импульсный ток, параметры импульса которого соответствуют реальным параметрам электростатических разрядов на поверхности космического аппарата, 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 K_mp, 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

K_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.

(Патент РФ № 2378657, МПК G01R 27/04, опубл. 10.01.2010).

Недостатком известного способа является низкая достоверность результатов испытания, которая обусловлена недостаточно полным воспроизведением условий функционирования космического аппарата на орбите. Данный способ не учитывает ионизирующее излучение поток электронов, вакуум космического пространства на параметры бортовой радиоэлектронной аппаратуры и бортовой кабельной сети, которые имеют место в действительности.

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, проложенных по этим элементам, что позволяет наиболее точно определить величины электромагнитных наводок во фрагментах БКС, коммутирующих БРЭА космического аппарата, изготовить эти электронные блоки нечувствительными к таким наводкам, обеспечивая тем самым безотказное функционирование бортовой радиоэлектронной аппаратуры БРЭА космического аппарата при воздействии ЭСР, за счет чего повышается стойкость бортовой радиоэлектронной аппаратуры БРЭА космического аппарата КА к эффектам электризации.

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

Предлагаемое устройство (см. чертеж Фиг. 1) состоит из вакуумной камеры с возможностью установки пониженного давления 1, имитатора потока электронов 5, обеспечивающего параметры разрядного импульса, имитирующего реальные параметры электростатических разрядов на поверхности космического аппарата, средство 4, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата, по которому протекает импульсный ток от воздействия имитатором потока электронов 5 с ускоряющим напряжением от 5 до 50 кВ с шагом N и по которому во время измерений проложен испытуемый фрагмент бортовой кабельной сети 3, поворотный стол 6 который может перемещаться от 0 до 270 градусов с шагом N. Средство 4, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата, может быть выполнено, например, в виде листа обшивки космического аппарата. Соответствующий фрагмент бортовой кабельной сети 3, в котором измеряется сигнал электромагнитной наводки, нагружены на сопротивления, имитирующие реальную нагрузку 2 от бортовой радиоэлектронной аппаратуры. В качестве измерителя наводки 7 может быть использован, например, осциллограф с полосой пропускания не менее 350 МГц.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. Испытуемый фрагмент бортовой кабельной сети 3 размещают на средстве 4, имитирующем элемент внешней поверхности космического аппарата (лист обшивки), при этом соответствующий испытуемый фрагмента бортовой кабельной сети нагружены на сопротивления, имитирующие реальную нагрузку 2 и места присоединения рабочих нагрузок, параллельно одной из которых присоединяется кабель от измерителя величины электромагнитной наводки. Испытуемый фрагмент бортовой кабельной сети 3 размещается на средстве 4, имитирующем элемент внешней поверхности космического аппарата испытуемого фрагмента бортовой кабельной сети нагружены на сопротивления, имитирующие реальную рабочую нагрузку 2 и места присоединения рабочих нагрузок помещены в вакуумную камеру 1 для более полной имитации условий факторов космического пространства.

С помощью имитатора потока электронов 5 облучают поверхность имитирующую элемент внешней поверхности космического аппарата в результате облучения генерируется импульсный ток, на поверхности имитирующем элемент внешней поверхности космического аппарата параметры разряда импульса которого соответствуют реальным параметрам электростатических разрядов на поверхности космического аппарата.

Электростатические разряды характеризуются следующими параметрами:

Амплитуда тока разряда - (10-100) А;

Длительность фронта импульса тока на уровне 0,1-0,9 амплитудного значения от 1*10^-9 до 1*10^-7 с;

Длительность импульса тока на уровне 0,5 амплитудного значения от 2*10ʺ⁸ до 1*10'⁶ с;

Энергия разряда (0,02-0,2) Дж;

поэтому значения параметров разряда импульса выбирают, учитывая вышеуказанные значения.

Облучают средство, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата 4 с испытуемым фрагментом бортовой кабельной сети имитатором потока электронов с ускоряющим напряжением от 5 до 50 кВ с шагом N, причем, поворотный стол 6 имеет возможность поворота относительно имитатора потока электронов от 0 до 270 градусов с шагом N по средству 4, имитирующему элемент внешней поверхности космического аппарата и измеряют величину электромагнитной наводки U измерителем наводки 7. На основе полученных экспериментальных данных в диапазоне ускоряющих напряжений от 5 до 50 кВ для углов поворота тола от 0 до 270 градусов получены напряжения электромагнитной наводки в диапазоне от минус 100 до плюс 100 В. В качестве измерителя наводки может быть использован, например, осциллограф с полосой пропускания не менее 300 МГц.

Значение коэффициента трансформации тока K_mp, протекающего по средству 4, имитирующему элемент внешней поверхности космического аппарата, длинной L, в напряжение электромагнитной наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети, определяют из соотношения:

K_mp=U/I*L,

где:

K_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.

Предложенный способ и устройство позволяет точно и достоверно определить величины электромагнитных наводок во фрагментах бортовой кабельной сети, которые коммутируют электронные блоки, что дает возможность при проектировании космического аппарата разрабатывать бортовую радиоэлектронную аппаратуру, функционирующие без сбоев при заданных величинах электромагнитных наводок, повышая тем самым стойкость бортовой радиоэлектронной аппаратуры космического аппарата к эффектам электризации.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения коэффициента трансформации тока, протекающего по элементам внешней поверхности космического аппарата, в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по этим элементам. Сущность: испытуемый фрагмент бортовой кабельной сети, нагруженный с двух сторон на сопротивления, имитирующие реальную рабочую нагрузку, размещают на средстве, имитирующем элемент внешней поверхности космического аппарата. Средство, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата, с испытуемым фрагментом бортовой кабельной сети размещают в вакуумной камере на поворотном столе. Облучают средство, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата с испытуемым фрагментом бортовой кабельной сети, имитатором потока электронов с ускоряющим напряжением от 5 до 50 кВ с шагом N. Поворотный стол имеет возможность поворота относительно имитатора потока электронов от 0 до 270 градусов с шагом N. Причем параметры импульса тока с амплитудным значением I, которые образуются в результате облучения средства, имитирующего элемент внешней поверхности космического аппарата, соответствуют реальным параметрам электростатических разрядов на поверхности космического аппарата. Измеряют напряжение электромагнитной наводки U в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети и определяют значение коэффициента трансформации тока Kmp, протекающего по средству, имитирующему элемент внешней поверхности космического аппарата длиной L, в напряжение электромагнитной наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети из отношения измеренного напряжения электромагнитной наводки U к произведению величины амплитудного значения импульсного тока и длины средства, имитирующего элемент внешней поверхности космического аппарата. Технический результат: повышение достоверности и точности определения электромагнитных наводок во фрагментах бортовой кабельной сети, проложенных по внешней поверхности космических аппаратов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения коэффициента трансформации тока в напряжение электромагнитной наводки во фрагментах бортовой кабельной сети, заключающийся в том, что испытуемый фрагмент бортовой кабельной сети, нагруженный с двух сторон на сопротивления, имитирующие реальную рабочую нагрузку, размещают на средстве, имитирующем элемент внешней поверхности космического аппарата, отличающийся тем, что средство, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата, с испытуемым фрагментом бортовой кабельной сети размещают в вакуумной камере на поворотном столе, облучают средство, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата, с испытуемым фрагментом бортовой кабельной сети имитатором потока электронов с ускоряющим напряжением от 5 до 50 кВ с шагом N, причем поворотный стол имеет возможность поворота относительно имитатора потока электронов от 0 до 270 градусов с шагом N, а параметры импульса тока с амплитудным значением I, которые образуются в результате облучения средства, имитирующего элемент внешней поверхности космического аппарата, соответствуют реальным параметрам электростатических разрядов на поверхности космического аппарата, измеряют напряжение электромагнитной наводки U в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети и определяют значение коэффициента трансформации тока Kmp, протекающего по средству, имитирующему элемент внешней поверхности космического аппарата длиной L, в напряжение электромагнитной наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети из отношения измеренного напряжения электромагнитной наводки U к произведению величины амплитудного значения импульсного тока и длины средства, имитирующего элемент внешней поверхности космического аппарата.

2. Устройство для измерения коэффициента трансформации тока, включающее средство, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата, для размещения на нем испытуемого фрагмента бортовой кабельной сети, блоки нагрузки для подключения к испытуемому фрагменту бортовой кабельной сети, измеритель напряжения электромагнитной наводки в испытуемом фрагменте бортовой кабельной сети, присоединенный параллельно к блоку нагрузки на одном из концов испытуемого фрагмента бортовой кабельной сети, отличающееся тем, что содержит вакуумную камеру с поворотным столом, на котором размещено средство, имитирующее элемент внешней поверхности космического аппарата, и имитатор потока электронов с ускоряющим напряжением от 5 до 50 кВ с шагом N для генерации в результате облучения импульсного тока на поверхности средства, имитирующего элемент внешней поверхности космического аппарата, параметры которого соответствуют реальным параметрам электростатических разрядов на поверхности космического аппарата, причем поворотный стол имеет возможность поворота относительно имитатора потока электронов от 0 до 270 градусов с шагом N.