Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов комплексной диагностики бортовой аппаратуры космических аппаратов на устойчивость к дугообразованию. Этап 1: Выбор направлений исследований

Докладчик: Батраков Александр Владимирович

Должность: заведующий лабораторией

Цель проекта:
1.1 Доля ответственности систем автоматики и стабилизации напряжения (САС) в сбоях ИСЗ составляет 3% в общей статистике и 9% в статистике фатальных отказов, приведших к потере спутников. Одной из основных причин выхода из строя САС является вторичная дуга, но, несмотря на это, стандартных методов диагностики РЭА на устойчивость к дугообразованию нет в силу относительной новизны проблемы, появившейся в связи с переходом спутников, обеспечивающих связь и навигацию, на высокое напряжение питания бортовой сети, превосходящее порог дугообразования. К настоящему времени накоплен значительный объём информации по фундаментальным вопросам физики вакуумной дуги, и задача данного проекта состоит в разработке методов и экспериментального оборудования для комплексной диагностики силовых модулей РЭА на устойчивость к дугообразованию. 1.2 Целью данного проекта является создание комплекса научно-технических решений, необходимых для разработки оборудования для комплексной диагностики бортовой аппаратуры и кабельной сети (БАКС) космических аппаратов (КА) с целью выявления рисков дугообразования в процессе эксплуатации в условиях орбитального космического пространства, основанных на результатах экспериментальных исследований и математического моделирования процессов, приводящих к дугообразованию в БАКС КА.

Основные планируемые результаты проекта:
2.1 В ходе выполнения данного проекта планируется получение следующих результатов:
1) комплекс научно-технических решений в составе:
а) научно-технические решения для осуществления наземной имитации физических условий в модулях БАКС КА, соответствующих ситуациям риска дугообразования;
б) научно-технические решения для осуществления мониторинга физических параметров среды и элементов в модулях БАКС КА и интеграции оборудования, реализующего мониторинг, в БАКС КА;
в) технические решения для конструирования оборудования для наземной диагностики модулей БАКС КА на устойчивость к дугообразованию;
г) программные решения для разработки алгоритма анализа конструкции модулей БАКС КА на устойчивость к электрическому разряду и дугообразованию в условиях эксплуатации КА.
2) методика комплексного тестирования модулей БАКС КА на устойчивость к дугообразованию;
3) технико-экономическое обоснование разработки продукции, технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера – ОАО «ИСС»;
4) проект технического задания на ОКР по теме: «Разработка рабочего места наземной экспериментальной отработки радиоэлектронной аппаратуры и бортовой кабельной сети космических аппаратов на устойчивость к дугообразованию».
2.2 Методика комплексного тестирования модулей БАКС КА на устойчивость к дугообразованию будет включать себя следующие взаимосвязанные методы:
а) метод физического моделирования факторов орбитального космического пространства применительно к диагностике на устойчивость к дугообразованию;
б) метод обнаружения предпробойных состояний изолирующих промежутков в БАКС КА;
в) метод регистрации и локализации ранних стадий пробоя в БАКС КА;
г) метод оценки рисков дугообразования в БАКС КА.
Метод физического моделирования факторов орбитального космического пространства позволит воспроизводить условия внутри модулей БАКС КА, при которых реализуется одновременное сочетание термоциклирования, разреженной плазмы и состава остаточной атмосферы, как природных факторов, так и появление плазмы первичного разряда, как следствие деградации свойств материалов и электрорадиоизделий в процессе эксплуатации КА.
Метод обнаружения предпробойных состояний изолирующих промежутков в БАКС КА позволит осуществить раннюю диагностику рисков дуги с использованием критериев, основанных на фундаментальных характеристиках электрической изоляции и электрического разряда в вакууме и газе низкого давлениях и совокупности специфических условий, реализуемых в процессе эксплуатации КА.
Практическая реализация фундаментальных основ объекта исследований заключена в методе регистрации и локализации ранних стадий пробоя. Метод станет основой для разработки элементов и алгоритмов системы телеметрии САС КА, позволяющих отслеживать зажигание дуги до наступления фатальных последствий.
Метод оценки рисков дугообразования позволит учесть на стадии разработки КА факт возможности зажигания первичной дуги в процессе эксплуатации КА и минимизировать её последствия.
Научно-технические решения для осуществления наземной имитации физических условий в модулях БАКС КА, соответствующих ситуациям риска дугообразования, и мониторинга физических параметров среды и элементов в модулях БАКС КА, а также технические решения для конструирования оборудования для наземной диагностики модулей БАКС КА на устойчивость к дугообразованию, позволят разработать экспериментальное оборудование, являющееся прототипом опытных образцов рабочего места (РМ) наземной экспериментальной отработки (НЭО) РЭА КА.
Программные решения для разработки алгоритма анализа конструкции модулей БАКС КА на устойчивость к электрическому разряду и дугообразованию в условиях эксплуатации КА позволит создать ПО, интегрируемое в САПР и используемое при конструировании САС КА.
2.3 Анализ современного состояния науки и техники, равно как и понимания проблемы дугообразования в многофакторной системе, какой является БАКС КА, свидетельствует о недостатке в формировании системы критериев рисков вторичной дуги, в отсутствии стандартных методик испытания на устойчивость к дугообразованию в БАКС КА, включая технические решения для создания оборудования, реализующих такие методики. Также отсутствуют программные решения, пригодные для использования в САПР и позволяющие осуществлять проверку конструктивных и схемных решений на устойчивость к дуге на стадии проектирования КА. Вышесказанное позволяет утверждать, что разрабатываемые научно-технические и программные решения обладаю научной новизной.
2.4 Тенденции, рассмотренные выше, являются общими для космической отрасли в мировой экономики. Отсутствие решений рассматриваемых проблем за рубежом подтверждается статистикой преждевременных отказов в работоспособности КА иностранного производства.
2.5 Поставленные задачи носят комплексный характер, предполагающий их комплексное решение. В основе данного проекта лежат результаты фундаментальных и поисковых исследований, полученных организацией-исполнителем, в том числе в рамках проектов ФЦП ИиР 2007-2013. В качестве ключевого подхода в разрабатываемых методиках и экспериментальном оборудовании лежит необходимое и достаточное воспроизведение реальных условий, в том числе точное соответствие условий физического и математического моделирования. Уровень понимания задач и способов их решения не предполагает наличие ограничений и/или рисков неполного достижения заявленных результатов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
3.1 Планируемые результаты в целом имеют довольно узкую направленность практического использования, являющегося следствием специфичности условий эксплуатации КА, на решение проблем которых направлен данный проект. Методическая значимость ожидаемых результатов, безусловно, шире, в частности, подходы для формирования элементов и алгоритмов телеметрии ранних стадий дуги в РЭА имеет практическое значение для силовой электроники.
3.2 Выполнение проекта находится под постоянным и неформальным вниманием со стороны ОАО «ИСС» – индустриального партнёра. Полученные результаты будут использованы для разработки документации и опытных образцов оборудования в рамках СЧ ОКР, выполнение которой планируется сразу по окончании данного проекта ПНИ в рамках базовая технология ОКР «Латент», «Промышленная технология выявления латентных дефектов бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов с длительным сроком активного существования на основе комплексного использования полей различной физической природы», предлагаемой ТП «НИСС» в «Проект перечня промышленных критических и базовых технологий на 2016-2025 годы» и опубликованной в отчёте ТП НИСС за 2013 год ( http://www.tp.iss-reshetnev.ru/index.php/documents?download=28:otchet-o-vypolnenii-proekta-realizatsii-tp-niss-v-2013-godu ).
3.3 В долгосрочной перспективе результаты выполнения данного проекта позволят уменьшить долю КА, вышедших из строя до окончания расчётного срока активного существования 15 лет, предъявляемого в настоящее время к спутникам связи и навигации. Повышение надёжности САС КА повысит конкурентоспособность КА российского производства.

Текущие результаты проекта:
4.1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной и методической литературы по теме исследований.
4.2 Отчёт о патентных исследованиях, на основании которых определены следующие направления разработки РИД:
а) способ выявления дефектов диэлектрического покрытия модулей РЭА КА, способных приводить к вторичной дуге;
б) система и способ телеметрии начальной стадии дуги в сильноточных системах энергопреобразования;
в) способ нанесения диэлектрического покрытия на печатные платы с установленными электрорадиоизделиями
4.3 Сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований.
4.4 Разработка и обоснование общей концепции конструкции и функционирования комплекса оборудования для диагностики БАКС КА на устойчивость к дугообразованию.
4.5 Требования к экспериментальному типовому модулю (ЭТМ) РЭА, согласованные с ОАО «ИСС», использование которого планируется при выполнении ПНИ.
4.6 Результаты выполнения мероприятий, направленных на освещение и популяризацию результатов ПНИ, включающие:
а) три доклада по результатам выполнения ПНИ на 26-м Международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме, проходившем 28 сентября – 03 октября 2014 года в г. Мумбаи (Индия);
б) сайт в сети Интернет, освещающий задачи и ход выполнения проекта, публикация которого планируется в конце ноября 2014 года;
в) статью, подготовленную и направленную в редакцию журнала «Известия вузов. Физика», индексируемого в системе SCOPUS; публикация статьи запланирована на декабрь 2014 года.
4.7 Техническое задание на ЭТМ.
4.8 Техническое задание на рабочее место для экспериментальных исследований.
4.9 Техническая документация на ЭТМ.