Факторы, определяющие надёжность и долговечность конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 1/2014

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОЗДАНИИ СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКИ

Кадырова Л.Р.

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ НАДЁЖНОСТЬ И

долговечность конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов

Одной из важнейших причин повышенного уровня отказов и сбоев в электронных системах на борту космических аппаратов (КА) являются космические лучи - потоки элементарных частиц и ядер атомов, родившиеся и ускоренные до высоких энергий во Вселенной [1]. При этом радиационные условия могут значительно отличаться как от обстоятельств конкретного полета (орбита, продолжительность, конструкция КА) [2], так и от ситуации в космическом пространстве (солнечная активность, магнитосфера Земли) [3]. Очевидно, что одним из главнейших требований при проектировании бортовой РЭА является учет влияния всех этих факторов [4] на основе существующих моделей радиационных полей в околоземном космическом пространстве [5] на радиационную стойкость комплектующих РЭА, их работоспособность в радиационных полях космического пространства [6..8].

Основными источниками радиационной опасности на КА являются три наиболее мощных и довольно хорошо изученных радиационных поля [7], которые отличаются своим происхождением и состоят из потоков частиц с отличными энергетическими спектрами:

- галактические космические лучи (ГКЛ), превосходящие по своей проникающей способности все другие виды излучений, кроме нейтрино;

- солнечные космические лучи (СКЛ), имеющие постоянную (радиоизлучение спокойного Солнца) и переменную (в виде всплесков и шумовых бурь) составляющие. После сильной солнечной вспышки радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца;

- радиационные пояса земли (РПЗ): Радиационная обстановка в окрестностях КА зависит от параметров его орбиты. На высотах ниже 450 —500 км космонавт находится под защитой от космических лучей и солнечных протонов («щитом» являются радиационные пояса Земли). Снижение орбиты до 250 км приводит к значительному расходу топлива для поддержания орбиты (из-за торможения в верхней атмосфере). На высотах более 500 км опасны протоны и нейтроны радиационного пояса Земли. На высотах более 30 тыс. км опасны космические лучи. В зависимости от характеристик орбиты КА должна быть выбрана определенная схема радиационной защиты электропроводки и электронного оборудования.

Факторы космического пространства (ФКП) по расположению зоны оказываемого воздействия могут быть разделены на два класса.

Факторы поверхностного воздействия, представляющие опасность для открытых

11

элементов аппаратуры и приповерхностных слоев (толщиной до нескольких сотен микрометров) материалов КА:

- космический вакуум;

- поток атомарного кислорода верхней атмосферы Земли;

- собственная атмосфера КА:

- заряженные частицы низкой энергии (частицы холодной и горячей магнитосфер-ной плазмы и плазмы солнечного ветра);

- солнечное ультрафиолетовое (УФ) излучение;

- микрочастицы метеорной материи и космического мусора.

Проникающие факторы, оказывающие воздействие на глубокие слои материалов

и элементы оборудования, находящиеся во внутренних отсеках КА:

- электроны и ионы РПЗ, CKJI и ГКЛ;

- крупные частицы метеорной материи и космического мусора.

В вакууме любой материал выделяет газы и пары, адсорбированные на поверхности и находящиеся в объеме материала (абсорбированные). В последнем случае процессу газовыделения предшествует диффузия атомов и молекул к поверхности. Аналогичным образом происходит испарение из материалов различных примесей и добавок. И наконец, с поверхности происходит испарение основного материала. Для вакуумных условий характерен переход вещества из твердой фазы в газообразную, минуя жидкую - сублимация.

Скорость испарения (сублимации) характеризуется массой вещества, испаряющегося в единицу времени с поверхности материала. Скорость испарения возрастает при увеличении температуры поверхности, она зависит также от условий отвода паров от поверхности: чем ниже давление паров над поверхностью по отношению к давлению насыщенного пара испаряющегося вещества, тем выше скорость испарения.

Очевидно, что для использования на открытых поверхностях КА нужно выбирать материалы с низкой скоростью испарения при той температуре, до которой они могут нагреваться в условиях космического пространства.

В интервале высот 200-1000 км существенное влияние может оказывать набегающий поток атомарного кислорода верхней атмосферы Земли. Атомарный кислород обладает высокой химической активностью, которая усилена кинетической энергией сталкивающихся с поверхностью атомов (~5 эВ), обусловленной орбитальной скоростью КА. Под действием потока атомарного кислорода происходит распыление (потеря массы) материалов. Продукты распыления вносят существенный вклад в формирование СВА КА и пленок загрязнений на его поверхности. В результате воздействия атомарного кислорода могут также значительно изменяться механические, оптические и электрофизические свойства материалов. В наибольшей степени подвержены разрушающему воздействию атомарного кислорода полимерные материалы. Для них толщина уносимого с поверхности слоя может достигать нескольких десятков и даже сотен микрометров в год.

В последнее время интерес к исследованию физических процессов, протекающих на поверхности КА, значительно возрос, что обусловлено все возрастающим применением негерметизированных КА. Поэтому более критичными стали такие, например, процессы как возникновение даже относительно слабых электромагнитных помех, генерируемых электростатическими разрядами (ЭСР), которые являются следствием электризации КА.

12

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 1/2014

Радиационные эффекты, обусловленные воздействием на КА потоков заряженных частиц высокой энергии, зависят от величины полной поглощенной дозы космической радиации и от мощности поглощенной дозы. Существуют также эффекты, вызываемые воздействием одиночных заряженных частиц. С величиной полной поглощенной дозы связано постепенное ухудшение свойств материалов и характеристик оборудования КА, например, солнечных батарей. Мощность дозы оказывает влияние на процессы люминесценции материалов при облучении на возникновение в них радиационной проводимости. Обратимые и необратимые изменения свойств материалов происходят за счет всех радиационных эффектов, наблюдаемых в твердом теле: ионизационных эффектов, эффектов переноса заряда и эффектов смешения. Наиболее чувствительны к воздействию космической радиации полупроводниковые и оптические материалы, в меньшей степени - полимерные материалы, самую высокую стойкость к воздействию радиации имеют металлы.

Следует особо отметить, что проблема возникновения радиационных эффектов в элементах бортового электронного оборудования КА в результате воздействия отдельных заряженных частиц является чрезвычайно острой для КА с орбитами любых типов [8,10]. Существует несколько видов таких эффектов, но наиболее часто возникают обратимые одиночные сбои (single event upsets - SEU). В интегральных схемах электрические заряды, управляющие их работой, оказались сопоставимыми с зарядами, образующимися в материале микросхемы при прохождении тяжелых ядер ГКЛ или высокоэнергетических протонов РПЗ. Эти внесенные электрические заряды при перемещении их в электрических полях внутри микросхемы и приводят к возникновению сбоев. Для элементов наноэлектроники эта проблема может стать ещё более актуальной.

Солнечное УФ-излучение воздействует в равной степени на КА, находящиеся на разных орбитах, поскольку оно практически без ослабления проникает в верхнюю атмосферу Земли до высоты -200 км. Воздействие метеорных частиц на КА также мало зависит от высоты орбиты, а частицы космического мусора распределены в окружающем космическом пространстве неравномерно: наиболее значительна их концентрация в области высот -800-1000 км.

Давление среды на высотах 100-200 км от поверхности Земли порядка 10-2 - 10-4 Па, а в межпланетном пространстве - 10-10 Па. Космонавт, попадая в условия вакуума, погибает из-за недостачи кислорода и кипения имеющихся в его теле жидкостей. Поэтому в космическом полете экипаж КА должен находиться в герметичной кабине или в скафандре, в которых обеспечиваются определенное давление и состав окружающей газовой среды [10].

В условиях вакуума, особенно при высокой температуре, происходит испарение некоторых материалов, что крайне нежелательно для тех из них, которые имеют целевое назначение, например покрытия с определенными радиационными характеристиками, смазки трущихся частей и т.п.

1. Воздействия на КА метеорной материи и космического мусора.

Очевидной для КА является метеорная опасность [10]. Микрометеоры представляют собой микроскопические пылинки, песчинки, а также обломки камней, железа, льда и различных минералов, масса которых обычно составляет доли грамма, а скорость

13

относительно Земли достигает от 11,1 до 73,4 м/с. Ударяясь о поверхность КА, они взрываются и образуют своеобразные кратеры, диаметр которых в сотни раз больше размеров самого кратерообразующего метеора. Поверхность постепенно разрушается, вызывая изменение оптических свойств и нарушая тепловой режим работы, так как увеличивают шероховатость поверхности. Размеры области повреждения во много раз больше размеров метеорита. В результате на поверхности космического корабля могут появиться выбоины, причем даже самая прочная сталь не может полностью противостоять «метеорной эрозии».

К метеорным телам относят движущиеся в Солнечной системе тела с поперечными размерами от нескольких десятков метров до долей микрометра. Скорости метеорных тел относительно Земли лежат в интервале -10-70 км • с-1 в зависимости от направления прихода. При определении скорости столкновения КА с метеорным телом необходимо принимать во внимание также собственную орбитальную скорость КА (-8 км • с-1) и угол между векторами скорости сталкивающихся объектов. Рекомендовано использовать при оценке опасности столкновения КА с метеорными телами среднее значение относительной скорости 20 км • с-1. При входе в атмосферу Земли большая часть метеорных тел сгорает в интервале высот —60-110 км.

Однако наиболее существенную опасность для космических полетов представляют крупные метеорные тела, способные пробить оболочку космического корабля.

Помимо метеорных тел в ОКП присутствуют объекты искусственного происхождения, не выполняющие полезных функций, которые называют космическим мусором (space debris). В состав космического мусора входят прекратившие работу КА, остающиеся на орбитах последние ступени ракет - носителей, монтажные элементы, сбрасываемые защитные крышки и т.п., а также фрагменты разрушившихся изделий и образующиеся при разрушении и эксплуатации КА мелкие частицы. С точки зрения воздействия на КА все космические тела естественного и искусственного происхождения можно разделить на две группы: способные вызвать катастрофическое разрушение КА, например, его разгерметизацию, и создающие локальные повреждения поверхности. К первой группе относят тела с поперечными размерами свыше 0.5-1 см., а ко второй - более мелкие.

Частицы диаметром меньше 1 мм, которые принято называть микрочастицами рассматриваются как регулярный фактор, характеризуемый плотностью их потока, а опасность для КА крупных частиц оценивается на основании вычисления вероятности столкновения с ними. Тем не менее, с каждым годом риск столкновения КА и работающих в космосе космонавтов с метеорными телами и обломками разрушившихся КА возрастает. И хотя с Земли обеспечивается слежение за осколками и регулярно дается прогноз метеорной опасности, всё же риск возможного столкновения остается.

В настоящее время принято считать, что величина метеорной опасности, по крайней мере, в смысле непосредственного пробоя стенки космического аппарата, оказалась преувеличенной.

2. Анализ длительности эксплуатации бортовой РЭА КА с защитой от радиации, механических воздействий и обеспечивающих оптимальный тепловой режим.

Анализ развития РКТ зарубежных стран позволяет сделать следующие выводы.

В течение 1970-1990-х гг. США для КС связи и ретрансляции, навигации, системы раннего предупреждения о ракетном нападении и радиотехнической разведки созданы

14

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 1/2014

КА с расчетными сроками активного существования 7 - 10 лет (DSCS-2, DSCS-3, Leasat, Fleetsatcom, TDRSS, Navstar) [8]. Это позволило развернуть космические системы в штатном составе на весь период эксплуатации без дальнейшего их восполнения, выделяя для компенсации потерь из-за ненадежности РН и отказов КА 2...5 резервных КА в зависимости от штатного числа образцов КА в системе.

В 1994 г. завершено развертывание уникальной многоспутниковой навигационной системы Navstar в штатном составе из 24 КА. На орбиты были выведены 10 экспериментальных образцов (Block-1) с расчетными сроками активного существования 5 лет. Фактические сроки активного существования составили 7 - 11 лет.

В период 1997-2001 гг. запущены модернизируемые КА (Block-2R) с гарантийным ресурсом 7,5 лет. Запущены системы нового поколения КА (Block-2F) с гарантийным ресурсом 12,5 лет и техническим ресурсом 15 лет в количестве 33 КА.

Большинство запускаемых западными странами КА в настоящее время имеют средний возраст «жизни» от 7 до 12 лет. Благодаря этому окупаются не только расходы на их запуск (если тут присутствует коммерческая часть), но они приносят еще и прибыль. Так 14 ноября 2010 г. российская ракета-носитель «Протон-М» успешно вывела на орбиту американский спутник связи MSV-1 (Mobile Satellite Ventures 1), предназначенный для предоставления услуг голосовой связи и передачи данных в L-диапазоне с расчетным сроком службы 15 лет [9]. В тот же год с космодрома Байконур были успешно запущены КА «Экостар-14» и «Экостар-15» компании «Space Systems Loral» (США) для предоставления телекоммуникационных услуг на территории США, КА «Арабсат-5Б» компании «EADS Astrium» (Франция) для предоставления телекоммуникационных услуг и прямого телевизионного вещания в Саудовской Аравии и другие КА с предполагаемым сроком службы 15 лет. К сожалению, низкое качество отечественных электронных компонентов, узлов и агрегатов сделанных в России КА, часто не позволяют им работать на орбите в течение такого срока [4].

На основе изложенного выше можно сделать вывод о том, что в настоящее время реально создание КА со сроками активного существования 15 - 20 лет.

15

Литература

1. Дмитрий Пономарев. Россия все ближе к проигрышу космической гонки. Электронный журнал «kaszaro». [В Интернете] http://kaszaro.livejoumal.com/195807.html.

2. Анашин, В.С. Проблемы обеспечения высоких сроков активного существования РЭА спутников связи. Электросвязь. № 4 2009 г., c. 19-22.

3. Тестоедов, Н.А. У нас уверенный взгляд в будущее. «Новости космонавтики». №12 (335), 2010 г.

4. Ульянова, Жанна. Наши спутники научатся летать к 2022 году. Газета «Труд» . [В Интернете] 02 Марта № 036 2011 г. http://www.trud.ru/artide/02-03-2011/259433_nashi_ sputniki_nauchatsja_letat_k_2022_godu.htm.

5. Лукьященко В.И., Ужегов В.М., Яковлев М.В., Кувшинников В.М., Михайлов М.А., Шиванов А.В., Гецелев И.В., Кузнецов Н.В., Ныммик Р.А., Зинченко В.Ф., Улимов В.Н. Радиационные условия на борту космических аппаратов. «Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ), серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру». 2004 г., вып.1-2.

6. ГОСТ 25645.103-84 «Условия физического космического пространства».

7. Гальпер, А.М. Радиационный пояс Земли. Астронет. [В Интернете] ноябрь 2010 г. http://www.astronet.ru/db/msg/1171214.

8. Кузнецов Н.В., Панасюк М.И. Космическая радиация и прогнозирование сбое- и отказоустойчивости интегральных микросхем в бортовой аппаратуре космических аппаратов. Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ), Серия «Радиационное воздействие на радиоэлектронную аппаратуру». - М.: Атомиздат, 2001 г., вып. 1-2, c. 3-8.

9. Кузнецов, Н.В. Радиационные условия на орбитах космических аппаратов. Ядерная физика в Интернете. [В Интернете] 2010. http://lib.qserty.ru/static/tutorials/01_textbook/ index.htm.

16