135

Глава 6 МОДЕЛЬ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ ФАКТОРОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОРАДИОИЗДЕЛИЙ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ ДЛИТЕЛЬНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

6.1ОСОБЕННОСТИ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭРИ В КА

При проектировании БА КА разработчик аппаратуры обязан обеспечить необходимые условия работоспособности ЭРИ, которые зафиксированы в ТУ. В противном случае изготовитель ЭРИ не гарантирует соответствие показателей надежности и электрических параметров нормам технических условий (ТУ). Принципиально ЭРИ безразлично, где работать: в бытовом радиоприемнике, в КА герметичного или негерметичного исполнения. Необходимым и достаточным условием обеспечения работоспособности ЭРИ является не превышение допустимых электрических режимов и условий эксплуатации, зафиксированных в ТУ на ЭРИ. Эти два понятия являются тесно связанными, так как от условий эксплуатации ЭРИ, например, от температуры газа в герметичном контейнере или от температуры посадочного места ЭРИ в негерметичном приборном контейнере КА, зависит допустимая величина рассеиваемой ЭРИ мощности.

Условия эксплуатации и диапазоны изменений воздействующих на ЭРИ внешних факторов зависят от условий среды, в которой работает КА, а так же от конструктивного исполнения КА (герметичный или негерметичный приборный контейнер). Для КА этими условиями являются [28]:

¾высокий вакуум;

¾невесомость;

¾лучистые потоки;

¾ионизирующие излучения радиационных поясов Земли;

¾механические нагрузки на этапе выведения КА.

Каждое из этих условий и их сочетание приводят к определенной реакции

ЭРИ.

Причем реакция ЭРИ существенным образом зависит от того в герметичном или негерметичном КА используются ЭРИ. Так в герметичном КА влияние вакуума и невесомости практически сводится к минимуму, так как отсутствие

136

конвективного теплообмена компенсируется созданием теплообмена с помощью принудительной циркуляции газа внутри приборного контейнера.

В негерметичном КА воздействие вакуума связано с уменьшением теплопередачи от ЭРИ за счет уменьшения теплопроводности среды. Воздействие невесомости также приводит к уменьшению теплопередачи, но за счет уменьшения мощности, рассеиваемой путем конвекции. Все перечисленные факторы и лучистая энергия Солнца определяют температурный режим работы ЭРИ. Верхняя и нижняя граница температурного диапазона определяется конструкцией КА, способом съема тепла с теплонагруженной бортовой аппаратуры (БА), физическими свойствами примененных материалов и так далее.

Эффекты, возникающие в ЭРИ при воздействии глубокого вакуума, условно можно разделить на непосредственное воздействие вакуума (без учета тепловых эффектов) и тепловые эффекты.

Непосредственное воздействие вакуума может проявиться в возникновении электрических разрядов между выводами ЭРИ и в сублимации материалов, из которых они изготовлены.

Возникновение электрических разрядов связано с электрической прочностью среды, которая минимальна в области давления от 10 до 10-1 мм. рт. ст. и составляет не менее 300 В [98].

Большинство ЭРИ, например, полупроводниковые приборы, ИС, многие реле имеют герметичные корпуса, поэтому вакуум не окажет никакого воздействия на их чувствительные элементы.

Существует также большая группа ЭРИ, которая не имеет герметичных корпусов, это постоянные и переменные резисторы, автоматы защиты, некоторые типы электролитических конденсаторов и реле. На их работоспособность могло бы повлиять явление сублимации материалов, но положительная максимальная температура ЭРИ, при которой этот процесс имеет практическое значение значительно (не менее чем в 10 раз) превышает температуру ЭРИ в негерметизированном приборном контейнере.

Можно считать, что вакуум является благоприятной средой для длительной работы ввиду отсутствия вредного влияния влаги, кислорода, озона и других химически активных примесей атмосферы. "Щадящие" условия вакуума нагляд-

137

но подтверждают справочные материалы [98], в которых приведены основные результаты сравнительных форсированных испытаний ЭРИ в вакууме и в атмосфере. Анализ этих данных подтверждает возможность обеспечения высокой надежности ЭРИ в вакууме при условии соблюдения на них тепловых и электрических режимов, разрешенных по ТУ. Эффективная передача теплоты возможна только контактным способом. Выделяющееся в структуре ЭРИ тепло отводится через элементы конструкции ЭРИ к его корпусу и затем рассеивается по конструкции КА.

При этом соответствие ЭРИ повышенным требованиям по надежности, предъявляемым к ЭРИ КА с длительным САС, в значительной мере будет определяться правильным обеспечением установленных тепловых режимов работы ЭРИ в конкретных радиоэлектронных схемах. При повышении температуры среды, корпуса или несущей монтажной платы снижаются максимальные и предельно допустимые режимы эксплуатации ЭРИ, снижается эксплуатационная надежность ЭРИ [23].

Повышенная температура ЭРИ может привести к ухудшению надежности за счет ускорения развития механизмов отказов ЭРИ, особенно при наличии в них дефектов. Для предотвращения возможного ухудшения надежности необходимо повысить эффективность теплоотвода или снизить допустимую рассеиваемую мощность ЭРИ. Поэтому на условия охлаждения ЭРИ должно быть обращено самое серьезное внимание.

Воздействие ИИ приводит к деградации параметров ЭРИ [29]:

¾уменьшению коэффициентов усиления;

¾увеличению токов утечки;

¾увеличению пороговых напряжений и т.д.

Стойкость ЭРИ к воздействию ИИ определяется стойкостью входящих в их состав материалов, функциональным построением, конструктивным исполнением, электрическим режимом работы ЭРИ. Радиационная стойкость есть свойство ЭРИ, заложенное в процессе проектирования и изготовления, и в КА должны быть обеспечены приемлемые радиационные условия их работы. Другое дело, что точные количественные показатели РС не всегда бывают известны, мо-

138

гут зависеть от условий применения и могут потребовать дальнейших исследований.

Необходимо также отметить, что в конструкции КА и его частей используются различные материалы и покрытия (лаки, краски, клеи, полимерные и композитные материалы и т.д.), выделяющие летучие органические соединения, в результате чего состав среды внутри контейнера и на внешней поверхности КА изменяется, меняются ее свойства. Поэтому при проектировании БА необходимо обратить серьезное внимание на воздействие собственной внутренней среды (СВС) КА.

Поскольку КА создаются для различного применения (навигации, связи, телевещания, ретрансляции и т.д.), используются на различных орбитах, выводятся на орбиту различными ракетами носителями, то и условия эксплуатации ЭРИ будут различны. Схематично комплекс воздействующих на ЭРИ в КА ВВФ можно представить в виде:

Таблица 32 Внешние факторы, воздействующие на ЭРИ в КА

Учитывая, что в космическом приборостроении России применяются ЭРИ военного уровня качества [24], каждый раз при разработке нового КА возникает необходимость формулировать требования к ЭРИ. И обычно в эту модель включают все факторы, воздействующие на аппаратуру КА начиная от наземных условий эксплуатации и хранения [25, 26].

Указанное обстоятельство требует осуществления дополнительных мер по применению ЭРИ в КА:

¾ разработку модели воздействия ВВФ на ЭРИ;

139

¾квалификацию ЭРИ на соответствие модели ВВФ:

¾разработку методологии и проведение исследований физической совместимости характеристик ЭРИ условиям ВВФ.

¾оценку соответствия характеристик ЭРИ по нормам ТУ требованиям этой модели; В современных отечественных КА в составе аппаратуры функционируют

100÷200 тыс. штук различных ЭРИ (интегральные схемы, транзисторы, диоды, реле, конденсаторы, резисторы и т.д.), которые должны обеспечивать надежную длительную работоспособность бортовых систем.

Различные причины приводят к выявлению дефектных ЭРИ на различных стадиях изготовления и эксплуатации аппаратуры КА.

Появляются незапланированные затраты на восстановление (ремонт) аппаратуры для замены отказавшего ЭРИ на этапах:

¾при изготовлении аппаратуры в цехе;

¾в аппаратуре, установленной на последующую сборочную единицу (систему терморегулирования КА, систему ориентации и стабилизации, систему электропитания и др.);

¾в аппаратуре систем, установленных в КА;

¾в аппаратуре КА, находящихся на испытаниях на полигоне для запуска. Стоимость работ по устранению дефектов аппаратуры из-за отказов ЭРИ

при испытаниях аппаратуры в составе КА в 5÷7 раз выше, чем в приборных це-

хах [70].

В этом случае появляются дополнительные затраты на:

¾локализацию неисправности - проведение работ по специально разработанной программе для установления отказавшей аппаратуры в подсистеме;

¾разборку подсистемы для демонтажа отказавшей аппаратуры;

¾транспортировку в цех-изготовитель;

¾обратную транспортировку;

140

¾сборку;

¾переиспытание систем и т.п..

Отказ ЭРИ в аппаратуре при эксплуатации в составе КА, невосстанавли-

ваемого в принципе (КА на орбите), приводит к весьма существенным экономическим потерям.

Кроме того, нужно учесть снижение уровня доверия Заказчиков КА вследствие отказов при эксплуатации.

Для исключения попадания в бортовую аппаратуру КА с длительными САС потенциально ненадежных ЭРИ в последние годы внедряется новый принцип комплектования аппаратуры через специализированные испытательные технические центры с проведением операций сплошного входного контроля ЭРИ, дополнительных отбраковочных испытаний (ОИ), диагностического неразрушающего контроля (ДНК) с применением выборочного разрушающего физического анализа.

Задачей дополнительных ОИ и ДНК ЭРИ является, по существу, индивидуальная отбраковка элементов, имеющих скрытые дефекты изготовления. РФА проводится с целью определения соответствия ЭРИ требованиям конструкции и технологического процесса и выявления нарушений этих требований.

Все эксплуатируемые до последнего времени КА, разработанные и изготовленные ОАО «ИСС» (около 1300 КА) в первые дни, месяцы эксплуатации имели постоянные замечания по качеству функционирования; сбои, перерывы в связи, отказы, значительная часть которых по результатам анализа возникала изза отказов ЭРИ.

И только на эксплуатируемом с 18 апреля 2000 года КА "Sesat" не выявлено замечаний к ЭРИ в течение более десяти 10 лет эксплуатации. Одной из главных причин, по мнению многих специалистов, является то, что впервые в практике все 100% ЭРИ, комплектующих бортовую аппаратуру КА "Sesat", прошли ВК, ОИ, ДНК и РФА.

Можно утверждать, что все ЭРИ прошли период приработки, партии ЭРИ очищены от потенциально ненадежных элементов и поэтому КА функционирует в нормальном режиме.

141

Некоторые выводы по результатам отбраковочных испытаний ЭРИ для КА "Sesat", разработанным и изготовленным по заказу европейской организации

"Eutelsat" [27]:

Более 10% (более 15 000 штук) ЭРИ, подвергнутых дополнительным испытаниям, не были допущены к установке в бортовую аппаратуру КА "Sesat" как потенциально ненадежные.

Следовательно, если бы аппаратура КА была укомплектована партиями, содержащими столь значительное количество потенциально ненадежных ЭРИ и не выявленных без проведения ОИ и РФА, то утверждать, что КА будет полностью работоспособным и обеспечивать эксплуатационные характеристики в течение всего САС, было бы весьма рискованно.

Исследования, проведенные по изучению состава и характеристик космической среды, так и по реакции различных классов ЭРИ на эти воздействия [28, 29, 30], позволяют сформулировать основные трудности при проектировании БА для использования в КА длительного функционирования (ДФ) :

¾недостаточное качество для космического применения выпускаемых ЭРИ;

¾комплексное воздействие факторов космического пространства (ФКП) ;

¾влияние ионизирующих излучений на процессы деградации параметров ЭРИ;

¾непрерывное увеличение степени интеграции интегральных схем (ИС) и, как следствие, недостаточная радиационная стойкость;

¾отсутствие наземных установок, моделирующих не только комплексное, но и раздельное воздействие ФКП (например, электронное и протонное излучения естественных радиационных поясов Земли по спектральному составу и плотности частиц).

Разработка модели воздействия ВВФ на ЭРИ проводилась, например, для

КА "Молния", "Экран", "Горизонт", "Луч", "Глонасс", "Sesat" и других [31, 32], но она заключалась в механическом перенесении требований к БА на ЭРИ. Такой подход заставляет проводить для каждого типа КА оценки работоспособности ЭРИ по всему разнообразию ФКП, включая воздействие космической среды и средств выведения КА на орбиту. Подход к созданию модели ВВФ, учиты-

142

вающий, что реальные ЭРИ уже изготовлены по определенным правилам комплекса стандартов "Климат" и имеют соответствующие гарантии заводаизготовителя по механическим, климатическим и другим ВВФ. В модель ВВФ для ЭРИ космического применения должны быть включены только специфические для космического пространства (КП) требования. Такой подход позволит существенно сократить временные, финансовые и материальные затраты по разработке концепции и правилам применения ЭРИ в космической технике.

После того как модель ВВФ для ЭРИ в КА ДФ создана, первостепенное значение приобретает разработка методов прогнозирования и обеспечения работоспособности ЭРИ при этих воздействиях. Одно из центральных мест при этом занимают методы обеспечения работоспособности к тепловым и радиационным нагрузкам [33, 34, 35].

Вопросы обеспечения радиационной стойкости (РС) БА изложены в обширной литературе, например, [36, 37, 114, 117].

До настоящего времени мало уделяется внимания анализу характеристик и оценке влияния собственной внутренней среды в КА ДФ с герметичным контейнером, хотя известно [38], что она содержит различные соединения в том числе и соляную и фтористую (плавиковую) кислоты концентрации до 0,1%, что может вызывать коррозию токопроводящих медных элементов (проводников, выводов) вплоть до их разрушения со временем.

Особенностью эксплуатации ЭРИ в КА является комплексное воздействие ФКП. Основным источником в настоящее время получения объективной информации о работоспособности ЭРИ при комплексном воздействии ФКП являются методы апостериорной оценки их работоспособности. Так как отсутствует априорная информация о типах механизмов отказов из-за многообразия физикохимических процессов в ЭРИ при комплексном воздействии ФКП и сложности имитации этих условий на Земле.

Таким образом, в части ЭРИ для создания БА КА с длительным сроком активного существования (10 и более лет) необходимо корректно решить триединую задачу:

¾Разработать методы обеспечения аппаратуры ЭРИ необходимого уровня качества и надежности.

143

¾Разработать методы обеспечения устойчивости ЭРИ к внешним воздействующим факторам.

¾Обеспечить правильность применения ЭРИ в аппаратуре.

Внастоящем пособии изложены варианты решения двух первых задач. Поскольку ЭРИ изготовлены и испытаны в соответствии с требованиями

комплекса военных стандартов "Климат" и соответствуют им, необходимо определить те факторы, которые являются специфическими для космоса, и включить их в модель, а те факторы, которые воздействуют в космосе, но не выходят за рамки требований комплекса стандартов "Климат" в модель включаться не должны. Это позволит существенно сократить материальные, финансовые и временные затраты на работы по квалификации ЭРИ для каждого конкретного КА. Условия наземной эксплуатации и хранения должны соответствовать техническим условиям на ЭРИ и все возможные несоответствия должны разрешаться в соответствии с порядком определенным существующей нормативнотехнической документацией (НТД) [39].

Несколько слов о конструкции КА, которая определяет защищенность ЭРИ, а значит и уровни воздействия ИИ.

КА герметичного исполнения состоит из герметичного контейнера (ГК), внутри и на поверхности которого устанавливается БА. Общий вид типичной конструкции такого КА приведен на Рис. 14. Герметичный контейнер представляет собой полый цилиндр с полусферическими днищами, заполненный азотнокислородной средой. Корпус ГК изготавливается, как правило, из листов сплава МА2-1 толщиной 2-2,5 мм. Снаружи ГК покрывается экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ). На поверхности ГК устанавливается рама антенного блока, на которой располагаются антенны, механические устройства, датчики и аппаратура. Часть БА устанавливается непосредственно на поверхности ГК. Там же устанавливаются и солнечные батареи (СБ), которые выполняются в одном из двух конструктивных исполнений: неподвижные или раскрывающиеся. Конструкция неподвижных СБ представляет собой полый цилиндр, надетый на цилиндрическую часть ГК. Конструкция раскрывающихся СБ представляет собой плоские складные панели, управляемые электромеханическими устройствами.

144

1

5

4

Рис. 14 Общий вид герметичного космического аппарата

1,2 - панели солнечных батарей;

3 - гермоконтейнер;

4 - радиатор системы терморегулирования;

5 - ферма антенного блока.

Внутри ГК устанавливается приборная рама, на которой располагается

БА.

КА негерметичного исполнения может представлять контейнер кубической или иной формы, собираемый из плоских панелей, на внутренней стороне которых устанавливаются блоки БА (рис.Рис. 15). Часть БА устанавливается на раме, соединяющей две параллельные панели.

145

1

2

3

4

5

6

8

Рис. 15 Общий вид конструкции негерметичного космического аппарата

Панели контейнера могут иметь, например, трехслойную структуру, приведенную на рис. 16.

146

Наружная и внутренняя стенки панели выполняются из листов алюминия толщиной 1,5 мм. Промежуток между стенками заполняется листами рифленой алюминиевой фольгой.

Снаружи контейнер покрывается ЭВТИ. На внешней поверхности контейнера устанавливается блок раскрывающихся панелей СБ и ферма антенного блока, на которой располагаются антенны, приборы, датчики и механические управляющие устройства.

1

2

3

Рис. 16 Структура панели контейнера негерметичного космического аппарата

1,3 - листы алюминия;

2 - листы рифленой алюминиевой фольги.

Электрическая связь приборов и аппаратуры на всех КА осуществляется по кабелям бортовой кабельной сети (БКС).

ЭРИ, применяемые в КА, являются составной частью БА и БКС КА. Как правило, ЭРИ, применяемые в БА, монтируются на монтажных платах, устанавливаемых внутри корпуса приборов. Наиболее типичная конструкция блоков БА представляет собой сборный прямоугольный блок, внутри которого монтируются все составляющие его ЭРИ. Стенки блока, как правило, выполняются из листового алюминия толщиной 2 мм. Кабели БКС конструктивно представляют собой круглые одинарные или разветвленные стволы, формируемые из проводов и кабелей и заканчивающиеся электрическими соединителями. Стволы или отдельные участки стволов могут иметь оболочку из металлической плетенки, матерчатого чехла, пластикатной трубки или ленточной обмотки.

Исходя из конструкции КА, все применяемые ЭРИ можно разделить на две группы по условиям эксплуатации:

147

¾группа 1 - ЭРИ, монтируемые на элементах внешней поверхности КА, незащищенные ЭВТИ и конструктивными элементами КА. К этой группе относятся элементы БКС - монтажные провода, кабели и соединители;

¾группа 2 - ЭРИ бортовой аппаратуры.

Величина минимальной защиты, которая определит максимальный уро-

вень воздействия ВВФ для конкретной группы, определяется ЭРИ находящимися в наихудших условиях по защите. Этими элементами будут являться:

¾в группе 1 - провода и кабели верхнего слоя кабельного жгута на участках незакрытых кабельными оболочками на стороне ствола противоположной поверхности, на которой смонтирован кабель. Для этих элементов защита отсутствует;

¾в группе 2 - ЭРИ, установленные у стенки корпуса прибора, незатененной

с наружной стороны элементами конструкции КА.

Величины суммарной защиты для вышеперечисленных групп элементов приведены в табл. 33.

1 При конструктивном исполнении панели контейнера, показанной на рис.Рис. 16.

6.2МЕХАНИЧЕСКИЕ ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ ФАКТОРЫ

Результаты анализа динамического нагружения КА, полученные расчетным и экспериментальными путями, показывают [41], что основными случаями механического нагружения для КА являются старт и разделение первой и второй ступеней ракеты носителя.

Вибрационное нагружение КА в основном определяется акустическим воздействием при старте и на атмосферной части участка выведения ракеты носителя. При этом вибрации конструкции КА носят характер случайного процесса. Известно [41], что основные резонансные частоты конструкции КА, определяющие реакцию конструкции на вибрационное нагружение, ограничены областью низких (до 100Гц) частот.

148

Динамические перегрузки определяются с учетом автоколебаний ракеты носителя на участке выведения.

Ударные нагрузки возникают при срабатывании пиротехнических устройств и представляют собой быстро затухающую колебательную реакцию конструкции. При удалении по конструкции от места срабатывания пироустройства происходит уменьшение максимальных уровней за счет поглощения энергии. Амплитуда ускорения ударного спектра зависит от расстояния до пироустройства, а количество воздействий определяется циклограммой срабатывания пироустройств:

¾устройства отделения;

¾зачековки панелей солнечных батарей;

¾зачековки антенн и не превышает трех в любой точке КА [41].

Механические факторы воздействуют на КА и ЭРИ во время выведения КА на орбиту являются кратковременными и определяются типом ракеты носителя.

Уровни механических нагрузок, задаваемые в качестве требований при проектировании БА, определяются не только предполагаемыми уровнями нагружения в натурных условиях, но и логикой механических квалификационных испытаний БА. Механические квалификационные испытания БА должны проводиться при таких уровнях и длительностях внешних воздействий, которые гарантируют, что изготовленные КА в случае необходимости могут быть подвергнуты повторным приемочным испытаниям без ухудшения их характеристик. Целью приемочных виброиспытаний КА является выявление скрытых дефектов сборки и монтажа [41].

Приемочные виброиспытания КА до настоящего времени проводятся на синусоидальную вибрацию с ограничением ускорений в местах крепления летными уровнями. Хотя в летных условиях вибрации носят характер случайного процесса. Это связано со слабой оснащенностью разработчиков БА оборудованием для испытаний на случайную вибрацию, с широким заимствованием предыдущих разработок, имеющих отработку виброресурса только на синусоидальную вибрацию. Все это обусловило то, что до последнего времени и на КА, тре-

152

впроцессе испытаний и не были измерены реальные механические нагрузки на ЭРИ, но можно однозначно утверждать, что при существующем конструктивном исполнении БА, величины нагрузок на ЭРИ не превышают допустимых уровней их нагружения.

Ниже в табл. 39 приведен перечень ЭРИ, прошедших испытания на ШСВ

всоставе БА.

Примечания: БУН - блок управления нагревателями; БУ - блок управления бортового комплекса управления; БУАС - блок управления антенной системой.

Результаты испытаний показывают, что подтверждение требований по механическим воздействиям на ЭРИ должно проводиться по результатам испытаний БА. И нет необходимости разворачивать работы по определению реальной устойчивости всех типов ЭРИ к ШСВ.

Это подтверждается и методическими указаниями [44]. В соответствии с которыми, учитывая, что воздействие ШСВ и синусоидальной вибрации вызывают повреждения одинакового характера, в БА могут применяться ЭРИ, в ТУ

154

на которые указаны требования только по синусоидальной вибрации. Это справедливо при условии, если диапазон частот и ускорение синусоидальной вибрации для ЭРИ равны или превышают, соответственно, диапазон частот и среднеквадратическое значение ускорения случайной вибрации для БА. В этом случае дополнительного согласования применения ЭРИ не требуется [44].

Соответствующие требования по синусоидальной вибрации для ЭРИ по ГОСТ В 20.39.404-81 [48] и среднеквадратичное значение (СКЗ) ускорения ШСВ для БА из [41] приведены в табл. 40.

Гарантии к ЭРИ по линейным нагрузкам, акустическому шуму и одиночным ударам, заимствованные из [53, 96], приведены в табл. 41.

Таблица 41 Гарантии ТУ по линейным нагрузкам, акустическому шуму и многократным ударам

Примечание: В [53, 96] по нижней границе акустического шума записано: "Микросхемы могут применяться в условиях воздействия акустических шумов с нижней границей частотного диапазона менее 50 Гц, при этом уровень звукового давления в диапазоне до 10000 Гц не должен превосходить указанных в СТУ значений". Конструкция ИС обеспечивает отсутствие резонансных частот в диапазоне частот до 100 Гц (п.5.7 [53]), а ППП– до 200 Гц (п.5.17 [97]). И это понятно: резонансные частоты ЭРИ лежат в намного более высокочастотном диапазоне.

При выборе или оценке правильности применения ЭРИ в конкретных видах аппаратуры [44] следует учитывать, что требования к ЭРИ могут отличаться

155

от требований к аппаратуре, как по составу, так и по отдельным характеристикам и в случаях, когда в комплексе стандартов "Климат" допускается не проводить испытания ЭРИ на воздействие отдельных факторов или испытания ЭРИ проводят в составе БА, то возможность применения таких ЭРИ в БА определяется по результатам испытаний самой аппаратуры.

Рассмотрение данных, приведенных в табл. 34, 35, 36 и табл. 39, 40, 41, указывает на возможность использования ЭРИ при воздействии ШСВ и других нагрузок приведенных уровней. Наличие значительного ( 5 раз) запаса по ускорению, а так же то, что резонансная частота подавляющего большинства ЭРИ лежит в килогерцовом диапазоне (не определяет механических свойств БА) и, что вибрационные нагрузки действуют только на этапе выведения, считать целесообразным подтверждение соответствия ЭРИ требованиям по механическим воздействиям проводить по результатам испытаний БА. Дополнительных требований к ЭРИ по механическим нагрузкам, по сравнению с ЭРИ общевоенного применения, в модели ВВФ для ЭРИ космического применения не предъявлять. Эта же мысль прослеживается и при анализе спецификаций на зарубежные ЭРИ космического применения [49, 50, 51]: в них требования по механическим воздействиям не приводятся. Задача потребителя ЭРИ - обеспечить правильное применение ЭРИ в БА, в том числе подтверждение испытаниями самой БА.

156

6.3КЛИМАТИЧЕСКИЕ ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ ФАКТОРЫ

В отличие от механических ВВФ, действующих на КА ограниченное время, комплекс климатических ВВФ является постоянно-действующим и сопутствует (в различных сочетаниях факторов) на всех этапах эксплуатации.

Климатические факторы определяют температуру активной области ЭРИ (p-n перехода для ППП и ИС, резистивного слоя для резисторов и т.д.), а, следовательно, и величину максимальной допустимой рассеиваемой ЭРИ мощности. Теплоустойчивость ЭРИ определяют по началу существенных изменений свойств параметров обусловленных различными физико-химическими процессами и характеризуют диапазоном температур, на границах которого наступают указанные изменения. Например, теплоустойчивость p-n перехода ограничена при высоких температурах собственной проводимостью в кристалле полупроводника. При появлении собственной проводимости p-n переходы перестают существовать, и элемент теряет способность выполнять свои функции.

Под теплоустойчивостью ЭРИ понимается свойство выполнять свои функции без превышения разрешенной по техническим условиям температуры активной области (корпуса) ЭРИ.

Поддержание на ЭРИ разрешенной температуры важно для обеспечения работоспособности в течение минимальной наработки, указанной в ТУ. Основной особенностью негерметичного построения КА является то, что отвод тепла проводится только кондуктивным методом и специально организуется. Наиболее эффективный отвод тепла от блоков БА к излучателям системы терморегулирования получается при непосредственном креплении тепловыделяющих ЭРИ к теплоизлучающим поверхностям за счет использования теплопроводности элементов конструкции. Реализации такой конструктивной схемы КА имеет физическую границу, определяемую в основном допустимой температурой активной области ЭРИ, и определяется возможностями конструктивно - компоновочной схемы КА по размещению теплоизлучающих поверхностей, ориентацией радиаторов в поле внешнего теплового потока, габаритами зоны полезного груза и допустимой стартовой массой КА для используемых средств выведения [52].

157

Таким образом, чем выше допустимая гарантируемая температура работы ЭРИ, тем меньшее количество тепла необходимо рассеять с теплоизлучающей поверхности и тем меньшие габаритные (массовые) характеристики она может иметь.

Для ЭРИ задача формулируется следующим образом: при какой максимальной температуре активной области ЭРИ (корпуса) ЭРИ может проработать нужное время. Так как температура активной области ЭРИ зависит от температуры поверхности, на которую он установлен (для негерметичного КА), температуры газа (для герметичного КА), необходимо знать эту температуру. Выполненные проработки с учетом конструктивно - компоновочной схемы КА дают диапазон изменения температуры теплоизлучающих поверхностей (минус 20 ÷ +50)°С [41], а температуру газа - (0÷40)°С [42].

С целью обеспечения надежной работы ЭРИ, в ТУ на ЭРИ установлены ограничения на предельно - допустимые температуры р-п переходов, например,

для ИС эта температура установлена на уровне 150°С [53].

Поскольку в вакууме для ЭРИ теряется понятие "температура окружающей среды" вводится понятие "температура посадочных мест" при этом в ИД на проектирование задается диапазон температур посадочных мест БА в рабочем состоянии от минус 20°С до +50°С. Расчеты и испытания показывают значение перепада температур между ЭРИ и установочной поверхностью ( посадочным местом) максимально до 20°С для маломощных ЭРИ [54]. Учитывая потери в передаче тепла по цепочке ЭРИ - плата - блок - прибор возможно увеличение температуры посадочных мест ЭРИ до (+60÷80) °С, что нашло отражение в табл. 42.

Необходимо отметить, что тепловой режим работы не тепловыделяющих ЭРИ гарантируется техническими условиями при положительной максимальной температуре среды до +125 °С. Термин " не тепловыделяющие ЭРИ" логически определяется следующим образом: до какой рассеиваемой мощности не требует принятия специальных мер для отвода тепла.

Поскольку для БА КА предъявляются высокие требования по надежности, разработчики БА, в свою очередь, выдвигают аналогичные требования и к комплектующим ее ЭРИ. Для аппаратуры КА с САС 10 и более лет требования к

158

ЭРИ по надежности и долговечности в заданных климатических условиях становятся основными.

Правильное задание требований на ЭРИ по климатическим воздействиям, их оценка и включение в модель ВВФ важны и потому, что без них, в принципе, невозможно решать проблему обеспечения надежности и долговечности ЭРИ.

С одной стороны, разработчики БА стремятся расширить требования по климатическим воздействиям, предъявляемым к ЭРИ; с другой стороны - они стремятся снизить требования по этим воздействиям на БА, которые к ним предъявляют головные разработчики КА, то есть, хотят иметь определенный конструкторский запас.

Чрезмерное снижение требований к БА, например, по диапазону рабочих температур, упрощает разработку БА, но усложняет конструкцию КА, и в конечном итоге, снижает энергетические и массогабаритные характеристики КА. В свою очередь, расширение температурного диапазона, в котором должна быть обеспечена работоспособность БА и комплектующих ее ЭРИ, ведет к удорожанию и усложнению БА и КА в целом.

Таким образом, задание требований по климатическим ВВФ должно основываться на своего рода компромиссе между разработчиками БА и КА.

Следует также отметить, что в исходных данных (ИД) на КА, как и в техническом задании (ТЗ) на разработку БА, требования по климатическим факторам, как и по механическим, применительно к ЭРИ не задаются и разработчик БА традиционно предъявляет к ЭРИ требования, сформулированные для БА.

На первый взгляд кажется, что ЭРИ, используемые в БА КА герметичного исполнения, находятся в более комфортных условиях по сравнению с ЭРИ, работающими в БА КА негерметичного исполнения. Но это не так. В модели ВВФ для КА герметичного исполнения рабочая температура среды (0÷40)°С не отображает реальной ситуации, так как она переносится из ТЗ на БА, без учета тепловыделения самих ЭРИ. Несмотря на принудительный обдув БА, осуществляемый системой терморегулирования КА, вследствие плотной компоновки БА, завихрений и др., образуются так называемые "застойные" зоны, в которых темпе-

ратура среды превышает +40°С [55]. Особенно это касается зон расположенных возле тепловыделяющих ЭРИ (транзисторов, резисторов, трансформаторов и

159

т.д.). Проведенные разработчиками аппаратуры замеры показали возможность увеличения температуры ЭРИ на (10÷20)°С [55].

Отвод же тепла в негерметичном контейнере должен специально организовываться по конструкции КА и обеспечивать необходимый температурный режим для ЭРИ.

Заданная в ИД на разработку КА негерметичного исполнения величина давления (от 10-9 до 10-13) мм рт.ст. автоматически переносится на ЭРИ, для большинства из которых в ТУ данных о работоспособности в условиях такого разрежения нет.

Вместе с тем давление среды внутри и вне контейнера реально будет отличаться от указанных в ИД на разработку КА из-за наличия собственной атмосферы вследствие газовыделения конструкционных и иных материалов КА. Это давление в приборном отсеке, по имеющимся данным [56], должно быть не ниже 10-5 мм. рт.ст.

Вопрос о точном определении давления внутри и вне приборного отсека негерметичного КА, для ЭРИ не имеет большого смысла, так как при величине давления менее 10-4 мм рт.ст. отвод тепла от ЭРИ осуществляется в основном кондуктивным методом [34], и просто необходимо обеспечивать допустимые тепловые режимы работы ЭРИ. Поэтому включение в модель ВВФ требований по давлению имеет смысл только для высоковольтных и высокочастотных ЭРИ, для которых возможны электрические пробои.

Из приведенного ясно, что температурные условия работы каждого образца ЭРИ сугубо индивидуальны, а необходимым и достаточным условием обеспечения работоспособности является не превышение максимальной температуры активной области ЭРИ в течение срока минимальной наработки. Поэтому температурные режимы и работоспособность каждого конкретного ЭРИ может быть оценена только разработчиком БА, а в качестве исходных данных должна быть температура посадочных мест или температура газа, которая и должна входить в модель ВВФ для ЭРИ в качестве ИД.

160

Таблица 42 Климатические факторы, воздействующие на ЭРИ, используемые в КА

6.4СОБСТВЕННАЯ ВНУТРЕННЯЯ СРЕДА КА

Следует обратить внимание на параметры и характеристики собственной внутренней среды КА (состав газовой среды, давление). Важность этого подтверждается проведенными специальными работами по уточнению параметров СВС герметизированных КА. Такие исследования является актуальным и важными по ряду причин:

долгое время считалось, что среда заполнения контейнера КА остается неизменной в течение всего САС КА, в ИД на разработку КА, следовательно, и в ТЗ на разработку БА, она одинаково задается на начало и конец САС;

в конструкции КА и его частей используются различные материалы и покрытия (лаки, краски, клеи, полимерные и композитные материалы и т. д.), выделяющие летучие органические соединения, в результате чего нейтральный состав изначальной среды изменяется, меняются ее свойства (агрессивность, горючесть и т.д.).

Типовые значения параметров СВС КА, приводимые в качестве требований в ИД на разработку КА [42] приведены в табл. 43.

Таблица 43 Характеристика рабочей среды КА

161

Специальные исследования, проведенные в НПО ПМ в 1989-1990г.г. [57] по исследованию СВС КА, находящихся на длительном хранении, показали в отобранных из гермоконтейнеров КА пробах сред заполнения наличие более 50 газообразных соединений, в том числе агрессивных. Сюда входят фтор и хлорсодержащие соединения, ароматические углеводороды, кетоны, спирты, эфиры, кислоты, альдегиды и другие соединения. Часть из них (ацетон, бензол и его соединения, этанол и его соединения, фенол и др.) способны вызывать коррозию металлов и инициировать деструкционные процессы в композитах. Проведенные работы позволили сделать ряд выводов [57]:

концентрация летучих органических соединений в СВС гермоконтейнера КА на несколько порядков превосходит их концентрацию в воздухе;

вследствие гидролиза паров воды фтор- и хлор органики образуют в СВС КА соляную и фтористую (плавиковую) кислоты концентрации до 0,1%.

Наличие в СВС КА кислотных соединений может вызывать коррозию токопроводящих медных элементов (проводников, выводов) вплоть до их разрушения со временем и может привести к отказам БА и КА при эксплуатации. Однако, учитывая, что большинство ЭРИ имеют герметичные корпуса, и платы вместе с ЭРИ покрываются в три слоя лаком УР-231, по-видимому, наиболее критичными к данному виду воздействия будут разъемные соединения.

Для защиты от вредного влияния СВС необходима разработка и реализация мероприятий по исключению (или значительному ослаблению) вредного влияния СВС КА на БА.

При штатной эксплуатации КА вредоносное воздействие СВС будет еще значительнее вследствие влияния ИИ КП, ускоряющего все процессы образова-