Факторы космического пространства, оказывающие влияние на аппаратуру.

Лекционный материал

 по дисциплине «Элементы и устройства бортовых систем космических аппаратов»

 

для студентов

 

Направление подготовки

10.05.02 Информационная безопасность телекоммуникационных систем

 

Направленность (профиль) образовательной программы

Информационная безопасность космических телекоммуникационных систем

 

 

Уровень высшего образования

Специалитет

Разработал: к.т.н., доцент каф. БИТ

Ханов В.Х.

Красноярск, 2017

 

Общие требования к бортовой аппаратуре.

Основные области применения микроэлектронной элементной базы в КА.

 

- Организация электропитания → Солнечные элементы (батареи), стабилизаторы напряжения

- Датчики, операционные усилители, компараторы → Преобразование измеряемой величины в аналоговый электрический сигнал, первичная обработка аналогового сигнала

- АЦП, схемы ЦОС, микроконтроллеры → Преобразование аналогового сигнала в цифровой, цифровая обработка сигнала

- Схемы ПЗУ, ЭСППЗУ(электрически стираемые перепрограммируемые ПЗУ), ОЗУ → Накопление и хранение данных

- Микроконтроллеры с CISC, RISC архитектурой, стандартная логика → Обработка информации, генерация команд

- Интерфейсные ИС (интегральные схемы) → Обмен информации с отдаленными системами и блоками

- Драйверы ЖК экрана, ИМС обработки видеосигнала → Интерфейс с экипажем

- Схемы силовой электроники, ИС стандартной логики, мощные MOSFET, IGBT→ Управление исполнительными механизмами

Условия применения электронной элементной базы в космосе.

 

- Жесткие ограничения по массе, габаритам, потребляемой мощности;

- повышенный уровень воздействия дестабилизирующих факторов:

a. широкий диапазон температур (-70 град. - +125 град);

b. широкий диапазон атмосферного давления;

c. высокий уровень механических воздействий (линейные ускорения, удары, вибрация);

d. радиационные воздействия;

e. нестабильность электропитания (изменения напряжения, скачки, перепады, перерывы);

- высокими требованиями по надежности вычислений;

- наличием специальных терминальных устройств;

- функционированием в реальном масштабе времени.

 

Наземная электроника

Функциональность (5) -> Производительность (5) -> Надежность (3-2)

 

Космическая электроника

Надежность (5) -> Функциональность(3-4) -> Производительность (2-3)

 

Факторы космического пространства, оказывающие влияние на аппаратуру.

 

Основные ФКП:

Механические нагрузки воздействуют на КА при наземном транспортировании, в процессе проведения такелажных работ, на участке выведения и на орбите функционирования во время работы двигательной установки КА.

Различают следующие типы механических нагрузок: квазистатические, акустические, вибрационные и виброимпульсные (ударные).

Уровень воздействия квазистатических нагрузок зависит от этапа эксплуатации КА и направления действия этих нагрузок. Их максимальные значения возникают на участке выведения КА на орбиту и достигают 15g (продольные) и 6g (поперечные). Маломассогабаритные приборы и оборудование КА проектируются на устойчивость к максимальным нагрузкам (15g), так как на начальном этапе проектирования достоверно неизвестно место их размещения и ориентация относительно осей КА. Однако для крупногабаритного оборудования КА учет различия нагрузок по направлениям при его разработке позволяет снизить массу силовых элементов конструкции.

Акустические нагрузки (шумы) генерируются головным обтекателем РКН на атмосферном участке ее полета и воздействуют на КА, вызывая его реакцию в виде случайной вибрации крупногабаритного оборудования КА (солнечных батарей, антенн и т. д.), являющегося акустически чувствительным и требующего наземной отработки на воздействие шумов. Величина этих шумов задается в виде превышения уровня звукового давления относительно 2 × 10^–5 Па и в зависимости от частоты лежит в диапазоне 123…141 дБ. Как источник случайной вибрации акустические нагрузки характеризуются спектральной плотностью мощности виброускорений, значения которого находятся в диапазоне 0,2…2,0g²/Гц.

Вибрационные нагрузки (гармоническая вибрация) воздействуют на КА через стык с РКН и генерируются в процессе работы ракетных двигателей. Уровень вибрационных нагрузок и продолжительность их действия характеризуется монотонно возрастающей функцией от частоты вибрации. Вид этой функции зависит от типа РКН, а ее значения лежат в интервале 1…12g для диапазона частот 5…2 500 Гц. Величина вибрационных нагрузок на оборудование КА зависит от их массы, места размещения на КА и жесткости силовой конструкции.

Для устранения резонансных взаимодействий между конструкцией КА и его оборудованием осуществляется разнесение собственных частот КА (ниже 25 Гц) и собственных частот приборов (выше 40 Гц) путем их соответствующего конструктивного исполнения. В некоторых случаях для ослабления воздействия механических нагрузок и ухода от резонансных частот оборудование устанавливается на амортизаторы.

Виброимпульсные (ударные) нагрузки возникают при транспортировании КА и на участке выведения при разделении ступеней РКН, а также при отделении КА и раскрытии его механических узлов. Воздействие ударных нагрузок на КА локализовано вблизи источника их возникновения из-за гашения в конструкции, поэтому чувствительные к ударам приборы должны располагаться на безопасном расстоянии от этого источника. Виброимпульсное воздействие характеризуется ударным спектром ускорений, значения которых изменяются в зависимости от расстояния от источника ударных воздействий и находятся в диапазоне от 100 до 5 000g.

Стойкость КА, его приборов и оборудования к воздействию механических нагрузок обеспечивается их конструктивным исполнением, выбранным по результатам расчетов с учетом коэффициентов безопасности (1,25…2,25), подтверждается наземными механическими испытаниями габаритно-весовых макетов приборов и статико-динамическими испытаниями габаритно-весового макета КА.

Расчет прочности КА проводится методом конечных элементов, который использует представление реального КА в виде его конечно-элементной модели, т. е. дискретной совокупности узлов и связанных с ними конечных элементов с заданными свойствами.

- Невесомость и вакуум

Раньше использовались герметичные платформы - это запаянная платформа, в которую помещается аппаратура, в которую закачивается инертный газ (азот). азота с примесью кислорода (от 2 до 5 %). Современные аппараты делаются по принципу негерметичной платформы.

Воздействие невесомости. Положительным свойством невесомости является возможность применения в космосе ажурных и очень легких конструкций (в том числе надувных) при создании крупногабаритных составных частей КА (антенн, панелей солнечных батарей и т. п.). Однако в настоящее время эта возможность ограничена из-за механических нагрузок, действующих на КА при его выведении на орбиту.

В невесомости вследствие отсутствия гидростатических сил состояние жидкости в баках (баллонах) зависит только от сил поверхностного натяжения и сцепления между жидкостью и стенками емкости, что приводит к отливу жидкости от заборных устройств в баках (баллонах), т. е. к нарушению ее подачи в камеру сгорания двигательных установок на жидких компонентах топлива. Поэтому в таких двигательных установках устанавливаются вытеснительные системы [5; 10].

Массопотеря. В условиях вакуума, особенно при высокой температуре, происходит потеря вещества материалов приборов и конструкции с последующим их частичным осаждением на поверхности спутника. Такие процессы негативно сказываются на целевом функционировании КА: происходит изменение оптических характеристик покрытий, отвердение смазки трущихся поверхностей и т. п. Скорость потери вещества зависит от температуры и типа материалов. Для металлов потеря вещества обусловлена процессами их поверхностного испарения.

В невесомости отсутствует конвективный теплообмен. Отсутствие конвенции при теплопередачи, что приводит к необходимости разработки специальных мер для поддержания заданного температурного режима (тепловые трубы, сотапанели, отвод тепла на металлические элементы корпусов блоков; теплонагреватели, большое количество датчиков температур (термисторов, десятки и сотни)).

Разрушение конструкции и микросхем из-за выноса газа. Вакуум обладает способностью к "поглощению" неограниченного количества газов и паров, которые могут выделяться с космического аппарата в открытом космосе. Кроме того, многие материалы, применяемые в космосе, являются неоднородными, и в них сохраняется газ или атмосфера Земли, или техпроцессов, которые использовались при изготовлении данных материалов.

Неорганические материалы, например керамика, имеют низкие значения испаряемости материала, поэтому они также пригодны для длительного использования в космическом пространстве.

Органические материалы в отличие от металлов теряют вещество
в основном за счет объемного газовыделения и потери влаги и частично – за счет испарения или сублимации с поверхности.

Повышенная агдезия. Повышается агдезия (слипание) поверхности. Эти процессы увеличивают износ материалов, ухудшают оптические характеристики материалов (камер, например).

Повышенное трение. В условиях вакуума сложной задачей является обеспечение смазки трущихся поверхностей (шарниров, подшипников, выдвигающихся телескопических механизмов, зубчатых передач и т. д.), так как использование обычных жидких смазок для этого недопустимо или ограничено во времени из-за их быстрого испарения.

Для уменьшения вредного влияния вакуума на работу трущихся поверхностей в течение длительного времени во многих случаях трущиеся пары необходимо герметизировать, т. е. размещать их в герметичных отсеках или применять герметичные уплотнения валов при малых скоростях вращения. Перспективным направлением является использование материалов, которые обеспечивают работу трущихся пар в условиях космического полета при наличии сухого трения, т. е. без смазки. К таким материалам относятся твердые смазочные материалы и полимерные материалы на основе фторорганических соединений

Создание электрических пробоев в силовой высоковольтной электронике (выше 100 Вольт. Создает условия для препятствия к возникновению различного рода электрических пробоев, так называемая вакуумная изоляция. Однако процессы массопотерь изолирующих слоев электрических плат, когда по цепям передаются высоковольтные сигналы, могут вызвать появление электрических пробоев.

 

- Собственная внешняя атмосфера КА

КА создают вокруг себя собственную внешнюю атмосферу, образующуюся из-за дегазации конструкционных материалов, неизбежных утечек газа из гермоотсеков, выхлопных продуктов реактивных двигателей, а также различного рода пылевых частиц. Притом часть молекул, атомов и молекул собственной атмосферы КА находится в заряженном состоянии.

На что влияет:

1) Загрязнение оптических поверхностей и солнечных элементов.

2) Внешнее статическое напряжение на корпусе КА (до 120 В и более в зависимости от срока пребывания КА на орбите).

В начальный период после запуска КА плотность СВА резко возрастает из-за повышенной скорости потери вещества с поверхности внешних элементов КА. Кроме того, в этот период происходит срабатывание пиротехнических средств раскрытия элементов конструкции КА, осуществляется продувка магистралей двигательных установок, включаются реактивные двигатели. Однако уже за 10-дневный цикл пребывания спутника на орбите плотность СВА снижается до стационарного значения.

Действие факторов собственной атмосферы спутника приводит к образованию загрязняющих пленок, появлению рассеивающих частиц в поле зрения оптических приборов, возникновению электрических разрядов. Поэтому при разработке КА реализуются технические решения по снижению воздействия факторов собственной атмосферы спутника:

– на наружных поверхностях спутника применяются неметалличес-кие материалы и покрытия, удовлетворяющие требованию по относительной потере массы:  и относительному количеству осажденного летучего конденсирующего вещества:

– в начальный период (до 10 сут) после выведения спутника на орбиту аппаратура, имеющая высоковольтные цепи снаружи КА, не включается;

– приборы и двигатели размещаются таким образом, чтобы факелы двигателей не попадали в поле зрения оптических приборов или их работа осуществлялась в разное время;

– для обеспечения спада давления внутри негерметичных приборных отсеков предусматриваются вентиляционные отверстия с суммарной площадью 0,004 м² на каждый 1 м³ объема приборного отсека.

- Атмосфера Земли