Экспериментальный аппаратный комплекс для диагностики бортовой аппаратуры космических аппаратов на устойчивость к дугообразованию

Институт сильноточной электроники СО РАН

Краткое описание

Разработан экспериментальный аппаратный комплекс (ЭАК), реализующий технические решения для обнаружения дефектов в бортовой радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) космических аппаратов (КА), приводящих к электрическому пробою и зажиганию электрической дуги, и для наземной имитации физических условий в модулях РЭА КА. ЭАК предназначен для реализации методики комплексного тестирования (МКТ) модулей РЭА КА на устойчивость к дугообразованию. 

Пояснительная записка

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.

Для защиты от рисков дуги в РЭА КА поверхность модулей покрывается электроизоляционным покрытием, способным выдерживать высокое напряжение, что делает задачу обнаружения сквозных дефектов сплошности таких покрытий ключевой в решении проблемы защиты от дугообразования.  Для обнаружения дефектов в качестве основного используется метод сканирования плазменной струей, являющийся основной технологической операцией в методике комплексного тестирования (МКТ) РЭА КА на устойчивость к дугообразованию. Сканированию подвергается силовая часть модулей РЭА. 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. После обнаружения дефекты устраняются. Финальной процедурой тестирования является проверка на отсутствие 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.

МКТ реализуется с использованием специализированных рабочих мест, прототипом которых является экспериментальный аппаратный комплекс (ЭАК), разработанный в ИСЭ СО РАН и реализующий технические решения для обнаружения дефектов в РЭА КА и для наземной имитации физических условий в модулях РЭА КА. Состав ЭАК представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 — Фотографии ЭАК. 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 модуля РЭА представлен на рисунке 2. 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 2 — Источник плазменной струи (а), модуль РЭА (б) и результат его тестирования (в). Дефекты сплошности защитного покрытия выделены пунктирными окружностями.

Технико-экономические преимущества:  Разработанная технология и аппаратура являются новым научно-техническим продуктом и не имеет прямых аналогов.

Области применения: 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. В долгосрочной перспективе практическое использование разработанной аппаратуры и методики позволит уменьшить долю КА, вышедших из строя до окончания расчетного срока активного существования (САС) (расчетный САС от 5 до 15 лет). Повышение надежности в пределах САС КА повысит конкурентоспособность КА российского производства.

Уровень практической реализации: Экспериментальный образец и экспериментальная методика.

Патентная защита:

№ п/п
патента
Дата
приоритета
Дата
публикации
Авторы Название
1 2613571 01.12.2015 17.03.2017 Батраков А.В., Попов С.А.

Способ контроля сплошности диэлектрического покрытия на элементах радиоэлектронной аппаратуры

2 2633651 20.06.2016 16.10.2017 Батраков А.В., Попов С.А.,

Шнайдер А.В.

Способ обнаружения слаботочной электрической дуги в радиоэлектронной аппаратуре

3 2644455 21.12.2016 12.02.2018 Батраков А.В., Попов С.А.

Способ испытания радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов на стойкость к вторичному дугообразованию

Коммерческие предложения: Предложения на проекты ОКР и/или ОТР сформированы и адресуются в программы Правительства РФ на поддержку научно-технического и инновационного развития России, а также в программы Государственной корпорации по космической деятельности «Роскосмос».

Ориентировочная стоимость: Ориентировочная стоимость разработки — от 30 до 120 миллионов рублей. Балансовая стоимость экспериментального образца ЭАК — 12 миллионов рублей.