Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0008

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0008
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка методов комплексной диагностики бортовой аппаратуры космических аппаратов на устойчивость к дугообразованию
Докладчик
Батраков Александр Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования 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.
Для достижения цели в проекте решались следующие задачи исследования:
- разработка научно-технических решений для осуществления наземной имитации физических условий в модулях БАКС КА, соответствующих ситуациям риска дугообразования,
- разработка научно-технических решений для осуществления мониторинга физических параметров среды и элементов в модулях БАКС КА и интеграции оборудования, реализующего мониторинг, в БАКС КА,
- разработка научно-технических решений для конструирования оборудования для наземной диагностики модулей БАКС КА на устойчивость к дугообразованию,
- разработка программных решений для анализа конструкции модулей БАКС КА на устойчивость к электрическому разряду и дугообразованию в условиях эксплуатации КА,
- разработка методики комплексного тестирования (МКТ) модулей БАКС КА на устойчивость к дугообразованию.
Актуальность и новизна исследования
Потребность увеличения энергоемкости космических аппаратов перманентно является насущной проблемой космической отрасли, и в последние 15 лет эта проблема решается с использованием системы электропитания (СЭП) КА уровня напряжений 100 В. При используемом ранее уровне рабочих напряжений 30 В и ниже самоподдерживающаяся вакуумная дуга постоянного тока не загорается. Критичным с точки зрения инициирования дуги считается напряжение выше 70 В, значительно превышающее пороговое значение напряжения горения дуги. Современный уровень напряжений 100 В, используемый в СЭП КА, является еще более опасным. Необходимо учитывать, что потребность в увеличении мощности, потребляемой космическим аппаратом, сохраняется, и следует ожидать переход на более высокие рабочие напряжения в среднесрочной перспективе. Следовательно, и проблема ограничения срока активного существования космических аппаратов электрическим пробоем и дугообразованием будет становиться всё более острой.
Для предотвращения дугообразования разработчиками КА принимаются защитные меры, наиболее действенным из которых являются использование диэлектрических покрытий, однако существует проблема дефектов, которые должны быть выявлены на стадии производства КА. Существующие методы контроля, закрепленные в ISO 11221:2011, но они не касаются низковольтного дугового разряда. Настоящий проект направлен на создание таких методов контроля и оборудование, реализующего эти методы.
Описание исследования

Решение поставленных задач подразумевает комплексный подход, заключающийся в сочетании физического и численного моделирования с воспроизведением в экспериментах реальных условий инициирования первичных электрических разрядов и использованием модельных объектов, точно воспроизводящих, либо являющихся таковыми, элементов бортовой аппаратуры и кабельной космических аппаратов. В моделировании воспроизводится набор параметров среды, ответственных за дугообразование, при этом принимается во внимание диапазон изменения параметров не только номинальный, но и соответствующий стартовым и нештатным ситуациям. В частности, диапазон варьирования давления среды внутри аппарата варьируется от атмосферного до соответствующего глубокому вакууму, состав атмосферы обеспечивает минимальный уровень электрической прочности, концентрация плазмы значительно превосходит уровень ионосферной плазмы, но при этом не создает угрозы электронным компонентам. Такое ужесточение условий неопасно для тестируемой аппаратуры, но позволяет выявлять дефекты более эффективно.

Для разработки методик тестирования особое внимание уделено математическому моделированию на уровне трехмерной макромодели модуля электронной аппаратуры. Моделирование выполняется в среде COMSOL Multiphysics и позволяет выявлять слабые места конструкции модуля с точки зрения возможного инициирования разряда, переходящего в электрическую дугу. Структура модели представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схематическое представление экспериментального образца программного комплекса "АПК Перманентная дуга (ASC Permanent Arc)",
номер регистрации (свидетельства): 2016614035, Дата регистрации: 12.04.2016

Для обнаружения дефектов в модулях БАКС КА, способных приводить к инициированию электрической дуги, в качестве основного используется метод сканирования плазменной струей. Сканированию подвергается силовая часть модулей БАКС. Перед сканированием силовые цепи объединяются и подключаются к измерительной цепи. При наличии дефекта сплошности диэлектрического покрытия через дефект возникает гальваническая связь с плазменной струей, и в измерительной цепи регистрируется ток. При сканировании фиксируется положение дефекта и ток через дефект, по силе тока вычисляется площадь дефекта. Плавающий потенциал в плазме струи не превышает 5 В, что обеспечивает безопасность метода для РЭА. Процедура сканирования требует определенного времени, которое можно сократить для модулей, не содержащих дефектов. С этой целью модуль помещается полностью в плазму, генерируемую источником объемной плазмы, и измеряется общий ток из плазмы на силовые токоведущие части модуля. Процедура сканирования схематическая представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема  "Способа контроля сплошности диэлектрического покрытия на элементах радиоэлектронной аппаратуры", заявка на изобретение № 2015151423 от 01.12.2015

Источник объемной плазмы используется для проверки герметичности корпусов блоков электроники по отношению к внешней плазме. С этой целью внутрь корпуса напротив технологических отверстий, используемых для вакуумирования блока, располагается электростатический зонд, в цепи которого по току из плазмы определяют концентрацию плазмы, прошедшей через отверстия, при концентрации внешней плазмы в диапазоне 107÷108 см-3. Безопасным является уровень концентрации плазмы во внутреннем пространстве блока не выше 106 см-3, при котором длина Дебая превосходит характерное расстояние между модулями в блоке (порядка 1 см).

Финальной процедурой тестирования является проверка наличия объемных электроразрядных процессов в работающем модуле (блоке) аппаратуры в условиях окружающей среды, электрическая прочность которой имеет пониженный уровень за счет использования искусственной атмосферы инертных газов и разреженной плазмы. К проверке допускаются модули, не содержащие дефектов сплошности защитного покрытия, обнаруживаемых по токам утечки из плазмы. Наличие электроразрядных процессов определяется по фотонной эмиссии и электромагнитным шумам в цепях питания объекта тестирования. Тестирование на наличие объемных электроразрядных процессов схематически представлено на рисунке 3.

Рисунок 3 -  Структурная схема процедуры тестирования на основе "Способа обнаружения слаботочной электрической дуги в радиоэлектронной аппаратуре", заявка на изобретение № 2016124256 от 20.06.2016 

Результаты исследования

Результаты исследования представлены тремя крупными позициями:

  1. Экспериментальный аппаратный комплекс (ЭАК), реализующий технические решения для:
    1.1 осуществления наземной имитации физических условий в модулях БАКС КА, соответствующих ситуациям риска дугообразования,
    1.2 мониторинга физических параметров среды и элементов в модулях БАКС КА и интеграции оборудования, реализующего мониторинг, в БАКС КА,
    1.3 конструирования оборудования для наземной диагностики модулей БАКС КА на устойчивость к дугообразованию.
  2. Экспериментальный образец программного комплекса, реализующий программные решения для разработки алгоритма анализа конструкции модулей БАКС КА на устойчивость к электрическому разряду и дугообразованию в условиях эксплуатации КА.
  3. Методика комплексного тестирования (МКТ) модулей БАКС КА на устойчивость к дугообразованию.

Фотографии ЭАК представлены на рисунке 4. ЭАК является прототипом технологического оборудования, на котором осуществляется тестирование модулей БАКС в соответствии с МКТ.

Рисунок 4 - Фотографии ЭАК. На фотографиях: 1 – основная вакуумная камера, 2 – дополнительная вакуумная камера для дифференциальной откачки, 3 – высоковакуумный затвор, 4 – турбомолекулярный насос, 5 – форвакуумный насос, 6 – масс-спектрометр остаточной атмосферы, 7 – широкодиапазонные вакуумметры, 8 – вакуумные клапаны, 9 – баллоны с чистыми газами, 10 – регуляторы-расходомеры газа, 11 – кварцевые смотровые окна, 12 – фильтры, 13 – окно CaF2 ИК диапазона, 14 – источник плазмы, 15 – газовый ввод источника плазменной струи, 16 – привод системы позиционирования, 17 – блоки контроллера зондовых измерений (КЗИ), 18 – блоки системы управления и сбора данных, 19 – управляющий компьютер, 20 – приборная стойка, 21 – компрессор, 22 – термостат, 23 – каркас

Пример реализации МКТ с использование платы экспериментального типового модуля (ЭТМ) представлен на рисунке 5. Красными окружностями отмечены дефекты. Дефекты привязаны к местам пайки выводов конденсаторов к печатной плате, а также к участкам разъемов в верхней части платы. По величине тока (и соответствующей площади дефекта) цвета на карте дефектов соответствуют: желто-зеленый 2 мкА (0.5 мм2), зеленый 1.4-1.8 мкА (0.34-0.44 мм2), голубой 0.9-1.3 мкА (0.22-0.32 мм2), сине-голубой 0.6-0.8 мкА (0.15-0.2 мм2), синий 0.5 мкА (0.12 мм2). Все обнаруженные дефекты сплошности являются опасными с точки зрения дугообразования.

Рисунок 5 - Плата ЭТМ (слева) и результат сканирования плазменной струей (справа), выявившего дефекты сплошности защитного покрытия (выделены цветом)

Для реализации МКТ принципиальным является выбор параметров среды и критериев идентификации дефекта как представляющего риск дугообразования. Критерии обоснованы результатами теоретических исследований и их экспериментальной проверкой. В частности, на рисунке 6 представлены данные по критерию "размер дефекта", демонстрирующие хорошее согласие теоретической модели с экспериментом.

Рисунок 6 - Зависимость напряжения инициирования вторичной дуги от радиуса дефекта в диэлектрическом покрытии на катоде

Полученные результаты являются опережающими по отношению к уровню исследований в мире. Проблема вторичного дугообразования в мире ограничена исследованиями исключительно в связи с электростатическими разрядами. В проекте проблема исследуется с привлечением более широкого круга явлений, приводящих к дуге.

Практическая значимость исследования
1. Планируемые результаты имеют довольно узкую направленность практического использования, связанную с эксплуатацией РЭА в вакууме и газе низкого давления, фактически, для наземной экспериментальной отработки КА. Подходы для формирования элементов и алгоритмов телеметрии ранних стадий дуги в РЭА могут найти практическое использование также и в некоторых применениях в силовой электронике.
2. Полученные результаты будут использованы для разработки документации и опытных образцов оборудования в рамках составной части опытно-конструкторской работы «Разработка комплекса диагностического электровакуумных испытаний узлов КАС и КАС в целом» в соответствии с техническим заданием 05776739.125-2015 ТЗ, выполняемой в рамках государственного контракта, идентификационный № 1120187311701010128000310.
3. В долгосрочной перспективе результаты выполнения данного проекта позволят уменьшить долю КА, вышедших из строя до окончания расчетного срока активного существования (САС) (расчетный САС от 5 до 15 лет). Повышение надежности САС КА повысит конкурентоспособность КА российского производства.
4. Международное сотрудничество в предметной области проекта по мнению исполнителей проекта должно быть противопоказано.