9-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

431

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF POSSIBLE CHARACTER AND

INTENSITY OF THUNDERCLOUDS AND LIGHTING DISCHARGES

AFFECTION ON RADIO NAVIGATION EQUIPMENT SITUATED INSIDE

AIRCRAFT NOSE RADOMES ON MODELS USING ARTIFICIAL

CHARGED AEROSOL CLOUDS

EMNIKOV

USSIA

HERNENSKY

USSIA

RLOV

USSIA

NTONENKO

USSIA

ERASTENOK

USSIA

Moscow Power Engineering Institute (Technical University), TemnikovAG@mpei.ru

Results of the experimental investigations of the

discharge formation in models of aircraft nose radomes

under an action of the artificial clouds of negatively

strongly charged water aerosol for the different variants

of its lightning protection are presented in a paper.

Metal spherical electrode and plane electrode of

rectangular and round forms have been used as radar

antenna model.

Two main sequences of the discharge formation in a

radome model and the corresponding forms of discharge

current impulses from an antenna model under nose

radome are found. Their characteristics significantly

depend on the charge value stored on the radome cover

surfaces.

Phenomenology of discharge development in the

gap “cloud of charged aerosol – model of the nose

radome with antenna model inside it” significantly

depends on the charged value that accumulates on the

radome cover surfaces. For the case of simultaneous

precipitation of charged particles on the internal and

external radome cover surfaces, very big charges could

be accumulated in radome.

For storage of extreme charges of hundreds of

µC/m

, intense surface discharges are formed and

powerful impulses of “reverse” discharge current on the

antenna model are observed. It was established that

formation of such negative discharge from antenna

model under radome which has the polarity of the

charged aerosol cloud and current amplitude and flowing

charge much more than for positive discharges from

electrode near cloud without radome is connected with

the storage of the charges on the internal and external

surfaces of radome models.

Value of these surface charges will be limited only

by the electric strength of the aircraft nose radome cover

and/or by the formation of spark discharges on their

surfaces. If external electric field inside radome will

quickly decrease because of discharge formation from

the charged cloud or, that more possible, due to the

discharge on the external surface of radome cover, the

resulting strength of electric field changes its direction in

the place where antenna radome is situated. As a result,

“reverse” discharges with have the same sign as charged

aerosol cloud (thundercloud) appear from antenna under

radome. They have current amplitudes up to some

hundreds of amperes and could destroy the radio

navigation equipment if the lightning discharge affection

of nose radome is absent.

Such powerful impulse of discharge current on

antenna model under radome is registered in 90 % cases

when radome model does not have lighting diverters, in

30-50 % cases when segmented lightning diverters are

imitated, and very rarely observed when radome is

protected with the bar lightning diverters.

For the last case two variant of discharge

development inside radome are possible: (1) discharge

formation inside radome is initiated by the discharge

between cloud and bar electrode on the external surface of

radome model and corresponded by the propagation of the

discharges on the external surface of radome; (2)

discharge formation inside radome “provokes” the

following development of discharges between cloud and

lightning diverter on the external surface of radome cover.

Impulse of “reverse” discharge current also forms

on the antenna model however it significantly weak on

its characteristics than the considered above powerful

current impulse. Such less powerful impulse of discharge

current on the antenna model under radome is registered

in 80 % cases when bar lightning diverters protects

radome. It is characteristic in 35 % cases when

segmented lightning diverters are imitated.

Thus, it was established that presence of the bar

lightning protectors on the radome surface significantly

decreases a probability of formation of powerful

discharges from the antenna inside it and discharges on

the external and internal surface of the radome model.

For such organization of radome lightning protection,

charge of less value will be accumulated on the radome

cover surfaces than in other considered variants of

aircraft nose radome lightning protection.

As a result, charge accumulated on radome surface

will play a fewer role in the formation discharge current

impulse on the antenna model under radome and on the

contrary discharge between cloud and lightning diverter

model will bring more sufficient influence to bear on

antenna.

432

ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОГО СПЕКТРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ПОМЕХ В РАДИОНАВИГАЦИОННОМ ОБОРУДОВАНИИ,

НАХОДЯЩЕМСЯ ВНУТРИ НОСОВОГО ОБТЕКАТЕЛЯ САМОЛЕТА,

ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИСКУССТВЕННОГО ЗАРЯЖЕННОГО

АЭРОЗОЛЬНОГО ОБЛАКА И РАЗРЯДОВ ИЗ НЕГО

А.

Г.

ЕМНИКОВ

ОССИЯ

М.

З.

ИЛЯЗОВ

ОССИЯ

Д.

А.

АТВЕЕВ

ОССИЯ

А.

Ю.

ОРОНКОВА

ОССИЯ

Л.

ЕРНЕНСКИЙ

ОССИЯ

А.

В.

РЛОВ

ОССИЯ

ГОУ ВПО «Московский Энергетический Институт (Технический Университет)», TemnikovAG@mpei.ru

Аннотация. Представляются результаты экспериментального исследований спектров электромагнитных

наводок на модели антенны радара самолета, возникающих при разрядах из искусственного облака заря-

женного водного аэрозоля. Установлено, что среди различных вариантов молниезащиты носового обтека-

теля при вертикальных полосовых молниеотводах на поверхности модели обтекателя максимальное зна-

чение спектральной плотности сигнала на антенне является наименьшим. Найдено, что максимальные ха-

рактерные частоты для сигналов на модели антенны сферической формы в несколько раз меньше макси-

мальных характерных частот сигналов на моделях молниеотводов. Для плоских моделей антенн в форме

диска или прямоугольника установлена обратная взаимосвязь. Предположено, что существенную роль в

характеристиках спектра электромагнитных помех на антенне радара играют токи разрядов, формирую-

щиеся за счет зарядов, осевших на поверхности обтекателя.

Abstract. The results of experimental research on the models of electromagnetic interference spectrums of

the aircraft radar antenna that occur under the discharges from artificial cloud of charged water aerosol are

presented. It was established that among different variants of nose radome lightning protection vertical bar

lightning diverters situated on the surface of nose radome model provide the minimal value of signal spectral

density on the antenna. It was found that the highest characteristic frequencies of signals on the sphere an-

tenna model are several times smaller than that of signals on the lightning diverter models. For plane disk

and rectangle antenna models the inverse relation was established. It was supposed that currents of dis-

charges formed due to charges settled on the radome surface play the essential role in the spectrum charac-

teristics of the electromagnetic interference on the radar antenna.

Введение

Погодные радары являются неотъемлемой ча-

стью современных самолетов. Радар отвечает за на-

вигацию и тем самым определяет безопасность по-

лета. Носовые радиопрозрачные обтекатели самоле-

тов предназначены для защиты антенных систем ра-

диолокационных станций от воздействия окружаю-

щей среды в условиях полета. Разряды молнии в но-

совой обтекатель самолета являются одной из основ-

ных причин появления значительных электромаг-

нитных наводок на антенне радара, способных при-

вести к его повреждению и выходу из строя [1]. Для

защиты носового обтекателя и находящегося под

ним радара от прямых ударов молнии используются

молниеотводы, от косвенных электромагнитных воз-

действий молнии применяются частотно-

избирательные защитные цепи, «фильтрующие» ха-

рактерные наведенные частоты. Таким образом, ис-

следование спектра возможных электромагнитных

наводок на антенне радара при воздействии разрядов

из грозовых облаков является задачей, без решения

которой невозможен выбор оптимальных параметров

частотно-избирательных защитных цепей.

Смоделировать численно весь спектр возмож-

ных воздействий грозовых облаков и молнии на ус-

тановленный в носовом обтекателе радар сейчас не

представляется возможным из-за большого числа

влияющих факторов [2, 3]. И полезным может ока-

заться оценка такого воздействия на основе экспери-

ментального исследования на моделях спектров

электромагнитных помех (токов) на модели антенны

погодного радара, возникающих при разрядах из ис-

кусственного облака заряженного водного аэрозоля.

Исследования возможного спектра электро-

магнитных помех

При исследовании спектров электромагнитных

помех анализировались полученные при эксперимен-

тальных исследованиях серии осциллограмм токов,

зарегистрированных на модели антенны при разрядах

из облака заряженного аэрозоля в модель носового

обтекателя самолета при различных конфигурациях

модельной системы «обтекатель – молниеотводы –

антенна». Параметры создаваемого заряженного аэ-

розольного облака, измерительного комплекса для

регистрации электрических и оптических характери-

стик разрядных процессов в промежутке «заряжен-

433

ное аэрозольное облако – модель носового обтекате-

ля с электродом внутри» и типичная картина форми-

рования разряда из облака заряженного аэрозоля в

модель обтекателя представлены в [4-6].

В качестве моделей радиопрозрачных носовых

обтекателей использовались тонкостенные полые

диэлектрические элементы полусферической формы

из полиметилметакрилата и в форме параболоида

вращения из полиэтилентерефталата с разным внут-

ренним объемом. В качестве модели, находящейся

под обтекателем антенны, использовались сфериче-

ский электрод диаметром 24 mm и плоские электро-

ды круглой или прямоугольной формы площадью от

75 cm

до 2000 cm

. В ходе проведенных экспери-

ментальных исследований рассматривались следую-

щие варианты расположения и формы моделей мол-

ниеотводов на поверхности модели носового обтека-

теля: I – без присутствия моделей молниеотводов на

поверхности модели обтекателя; II – с кольцевыми

полосовыми электродами на внешней и внутренней

поверхности обтекателя, моделирующими металли-

ческую часть фюзеляжа, примыкающую к носовому

обтекателю самолета; III – с моделями вертикальных

полосовых молниеотводов на внешней и/или внут-

ренней поверхности модели обтекателя.

Для каждой конфигурации модели системы «об-

текатель – антенна – молниеотводы» была проведена

серия опытов из не менее чем тридцати подходов и

был получен набор осциллограмм, представляющих

собой временную развертку токов, регистрируемых

на антенне радара и молниеотводах на внешней и

внутренней поверхности модели обтекателя. Элек-

трические характеристики разрядов, возникающих в

результате взаимодействия модели обтекателя и ан-

тенны с заряженным облаком аэрозоля, в значитель-

ной мере определяют возможный уровень воздейст-

вия на электронное оборудование радара и, соответ-

ственно, на вероятность выхода его строя. Типичные

осциллограммы сигналов, регистрируемых на моде-

ли антенны и моделях молниеотводов на поверхно-

сти модели обтекателя, показаны для вариантов I, II

и III расположения и формы моделей молниеотводов

на поверхности модели обтекателя на рис. 1a, рис. 2a

и рис. 3a, соответственно.

Для каждого сигнала, регистрируемого на моде-

лях антенны и молниеотводов, был проведен спек-

тральный анализ - с помощью дискретного прямого

преобразования Фурье [7] были определены харак-

терные частоты сигналов и соответствующие им

значения спектральных плотностей. Типичные спек-

трограммы, полученные при обработке осцилло-

грамм, приведенных на рис. 1a-3a, показаны на рис.

1b-3b, соответственно.

Рис. 1. Для варианта без присутствия моделей мол-

ниеотводов на поверхности модели обтекателя:

a – характерная осциллограмма тока, регистрируемая

на модели антенны (шунт 0,53 Ом);

b – соответствующая спектрограмма.

Для вариантов I, II и III организации молниеза-

щиты носового обтекателя рассчитывались макси-

мальное значение спектральной плотности сигналов

и соответствующее ей значение частоты.

Полученные результаты обобщены в таблице I.

При вертикальных полосовых молниеотводах на

поверхности модели носового радиопрозрачного

обтекателя максимальное значение спектральной

плотности сигнала S

max

на модели антенны сущест-

венно ниже, чем при наличии кольцевых электродов

на поверхности обтекателя (~ в 5-25 раз) и тем более

при отсутствии каких-либо проводящих элементов

на поверхности оболочки обтекателя (~ в 85-90 раз).

В то же время соответствующие им характерные

частоты f

Smax

, наоборот, выше.

434

Рис. 2. Для варианта II: a – характерные осцилло-

граммы токов, регистрируемые на модели антенны

(1, шунт 0,53 Ом), электрода на внутренней поверх-

ности (2, шунт 0,13 Ом) и электрода на внешней по-

верхности (3, шунт 0,14 Ом);

b – соответствующие спектрограммы (1 – для антен-

ны, 2 – для электрода на внутренней поверхности, 3

– для электрода на внешней поверхности).

Та же тенденция наблюдается и для сигналов на

моделях молниеотводов. Это может быть связано с

тем, что в регистрируемых на модели антенны при

разрядах из облака заряженного аэрозоля токах при

наличии вертикальных полосовых молниеотводов

уменьшается доля тока проводимости. Как показано

в [5, 6], значение тока проводимости в значительной

мере определяется количеством заряда, осевшего на

поверхности обтекателя, и формированием поверх-

ностных разрядов. Именно эти поверхностные раз-

ряды дают определяющий вклад в формирование

импульса разрядного тока как на модели антенны,

так и на моделях молниеотводов, находящихся на

поверхности обтекателя.

Рис. 3. Для варианта III: a – характерные осцилло-

граммы токов, регистрируемые на модели антенны

(1, шунт 0,53 Ом), электрода на внутренней поверх-

ности (2, шунт 0,13 Ом) и электрода на внешней по-

верхности (3, шунт 0,14 Ом);

b – соответствующие спектрограммы (1 – для антен-

ны, 2 – для электрода на внутренней поверхности, 3

– для электрода на внешней поверхности).

При вертикальных полосовых молниеотводах в

сигнале, регистрируемом на моделях антенны и мол-

ниеотводов, преобладающую роль играют токи сме-

щения, наводимые на ней при быстром изменении

заряда облака и формировании главной стадии раз-

ряда между облаком и молниеотводами. В результа-

те, максимальные характерные частоты в спектре

сигнала для случая вертикальных полосовых мол-

ниеотводов в 2–4 раза больше, чем при наличии

кольцевых электродов на поверхности оболочки об-

текателя, когда существенную роль играют токи

проводимости разрядов, формирующиеся за счет

зарядов, осевших на поверхности обтекателя (Табли-

ца II).

435

Таблица I

Максимальные значения спектральной плотности сигналов с антенны и с моделей молниеотводов на поверхно-

сти обтекателя и соответствующие им значения частоты при различных вариантах молниезащиты

Максимальные значения спектральной плотности сигналов и

соответствующие им значения частоты

Антенна

Молниеотвод на

внешней поверх-

ности

Молниеотвод на

внутренней по-

верхности

Вид моделей

молниеотводов

Форма

антенны

max

kA s

⋅

max

MHz

max

kA s

⋅

max

MHz

max

kA s

⋅

max

MHz

Диск

11 0,4 2,4 0,5 2,3 8

Прямоугольник

11,3 7,3 2,9 7 2,1 6,4

Вертикальные

полосовые

электроды

Сфера

12 1,8 31 0,2 10 8

Диск

280 0,1 240 0,05 40 0,2

Прямоугольник

320 0,07 120 0,5 28 0,2

Кольцевые

электроды

Сфера

50 2 110 1,2 60 1,2

Без

поверхностных

элек

тродов

Сфера

1030 0,2 –

Таблица

Диапазоны

значений

характерных

частот

спектров

сигналов

регистрируемых

на

модели

антенны

на

моделях

молниеотводов

на

внешней

внутренней

поверхности

обтекателя

Диапазон

значений

характерных

частот

MHz

Антенна

Молниеотвод

на

внешней

поверхности

обтекателя

Молниеотвод

на

внутренней

поверх

ности

Вид

моделей

молниеотводов

Форма

антенны

min

max

min

max

min

max

Диск

0,4 80 0,5 27 6 25

Прямоугольник

1,3 78 1,5 28 6 27

Вертикальные

полосовые

электроды

Сфера

0,5 40 0,2 150 5,8 140

Диск

0,04 25 0,02 7,2 0,02 8

Прямоугольник

0,07 28 0,02 8,6 0,02 8

Кольцевые

электроды

Сфера

0,4 18 1,2 95 1,2 60

По

этой

же

причине

максимальные

характерные

частоты

для

сигналов

на

модели

антенны

сфериче

ской

формы

3–5

раз

меньше

максимальных

харак

терных

частот

сигналов

на

моделях

молниеотводов

Для

плоских

моделей

антенн

наблюдается

обратная

тенденция

максимальные

характерные

частоты

сиг

налов

на

модели

антенны

несколько

раза

больше

максимальных

характерных

частот

сигналов

на

мо

делях

молниеотводов

Полученные

результаты

исследования

спектров

электромагнитных

наводок

на

модели

антенны

при

воздействии

искусственного

облака

заряженного

вод

ного

аэрозоля

могут

быть

использованы

как

при

вы

боре

оптимальной

конфигурации

системы

обтека

тель

молниеотводы

антенна

»,

так

при

выборе

параметров

частотно

избирательных

защитных

цепей

Работа

выполнена

рамках

реализации

ФЦП

Научные

научно

–

педагогические

кадры

иннова

ционной

России

на

2009 - 2013

годы

(

государствен

ный

контракт

№

1117).

Литература

Балюк

Кечиев

Степанов

Мощный

электромагнитный

импульс

воздействие

на

электронные

средства

методы

защиты

ООО

Группа

ИДТ

», 2009.

2. Uman M.A., Rakov V.A. // Progress in Aero-

space Sciences. 2003. V. 39. P. 61-81.

3. Hall A. // Thunderstorm Protection of Aircraft

Radomes. Proc. of the Intern. Conference on Lightning

and Static Electricity. Seattle, USA, 2005. P. 118.

Темников

Орлов

Болотов

Ткач

. //

ЖТФ

. 2005.

. 75.

Вып

. 7.

. 52-59.

Темников

Черненский

Орлов

Полякова

. //

Письма

ЖТФ

. 2010.

. 36.

Вып

18.

. 40-47.

Темников

Черненский

Орлов

Полякова

. //

Труды

Российской

конференции

по

молниезащите

Москва

. 2010.

. 4.5.

Лэй

Цифровая

обработка

сигналов

дли

инженеров

технических

специалистов

Группа

ИДТ

, 2007.

436

INVESTIGATIONS OF POSSIBLE SPECTRUM OF ELECTROMAGNETIC

DISTURBANCES IN RADIO NAVIGATION EQUIPMENT INSIDE

AIRCRAFT NOSE RADOME UNDER AFFECTION OF THE ARTIFICIAL

CHARGED AEROSOL CLOUD AND DISCHARGES FROM IT

EMNIKOV

USSIA

ILYAZOV

USSIA

ATVEEV

USSIA

ORONKOVA

USSIA

HERNENSKY

USSIA

RLOV

USSIA

Moscow Power Engineering Institute (Technical University), TemnikovAG@mpei.ru

The results of experimental research on the models

of electromagnetic interference spectrums of the aircraft

radar antenna that occur under the discharges from artifi-

cial cloud of charged water aerosol are presented. Metal

spherical electrode and plane electrode of rectangular

and round forms have been used as radar antenna model.

The following variants of disposition and forms of

lightning diverter models on the external and internal

surface of nose radome model are considered in carried

out experimental investigations and in calculations: I –

without lighting diverter models on the surface of ra-

dome model; II – with ring electrodes on the internal and

external surface of radome model that could simulate the

metal part of fuselage adjacent to aircraft nose radome;

III – with vertical bar lightning diverters models on the

external and/or internal surface of radome model.

Electrical characteristics of spark discharges occur-

ring due to interaction of radome and antenna models

with charged aerosol cloud significantly determine a

possible level of action to electronic equipment of radar

and correspondingly a probability of its damage.

Spectral analysis was carried out for every electrical

signal registered on models of antenna and lightning

diverters. Characteristic frequencies of signals and corre-

sponding values of spectral densities were determined

using direct Fourier transformation.

Maximal value of spectral density of signals and

corresponding value of frequency have been calculated

for variants I, II, and III of nose radome lighting protec-

tion organization.

It was established that among different variants of

nose radome lightning protection vertical bar lightning

diverters situated on the external surface of nose radome

model provide the minimal value of signal spectral density

on the antenna model. Maximal value of spectral density

in this case is in 5-25 times less than for the case with ring

electrodes on the internal and external surface of radome,

and in 85-90 times less than for the case without lighting

diverter models on the surface of radome model.

Such tendency is observed for signals on the light-

ning diverter models too. That could be connected with

the fact that part of current conductivity in signals regis-

tered on antenna model for discharges from charged aer-

osol cloud under presence of vertical bar lightning di-

verters decreases.

Value of the conductivity current is considerably

determined by the quantity of charge precipitated on the

external and internal surfaces of radome cover and by

the forming of surface discharges. Just these powerful

surface discharges give main contribution to the forma-

tion of discharge current impulse as on the antenna

model as on lightning diverter models situated on the

radome surface.

For protection vertical bar lightning diverters, dis-

placement currents induced due to rapid change of the cloud

charged and formation of main stage of discharge between

cloud and lightning diverters play dominant role in signal

registered on the antenna and lightning diverter models.

As a result, maximal characteristic frequencies in

signal spectrum for the case of vertical bar lightning di-

verter models are in 2-4 time more than for the case with

ring electrodes on the internal and external surface of

radome when conductivity currents of discharges oc-

curred due to the charges precipitated of the radome sur-

face play significant role.

It was found that the highest characteristic frequen-

cies of signals on the sphere antenna model are several

times smaller than that of signals on the lightning di-

verter models. For plane disk and rectangle antenna

models the inverse relation was established.

It was supposed that currents of discharges formed

due to charges settled on the radome surface play the

essential role in the spectrum characteristics of the elec-

tromagnetic interference on the radar antenna under air-

craft nose radome.

Received results of the spectrums investigation of

electromagnetic disturbances on the antenna model for

the case of affection of artificial cloud of charged water

aerosol could be used as for choice of optimal configura-

tion of system “aircraft nose radome – lightning diverters

– radar antenna” as for choice of parameters frequency

discriminatory protection circuits of radar electronic and

electrical equipments.

437

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УРОВНЕЙ ПОМЕХ В

БОРТОВОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ ОТ ЭСР ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

А.

И.

АЛИСТИН

ОССИЯ

М.

В.

АРЧЕНКО

ОССИЯ

ФГУП «Московское опытно-конструкторское бюро «Марс», e-mail: mokb-mars@mtu-net.ru

Аннотация. Описана конструкция стенда и методика проведения экспериментально исследования

уровней помех в бортовой кабельной сети космического аппарата от электростатического разряда.

Приведены уровни помеховых сигналов и рекомендации по испытаниям бортовых систем космиче-

ских аппаратов.

Abstract. Describe the construction of the stand and method of experimental investigation interference lev-

els in the spacecraft onboard cable network from electrostatic discharge. Shows the levels of interference

signals and recommendations for testing spacecraft onboard systems.

Измерение сигналов помех от электростатических

разрядов (ЭСР) – сложная инженерная задача. Электро-

статический разряд помимо создания мощного элек-

тромагнитного импульса и кондуктивного разрядного

тока сопровождается многократным переизлучением

электромагнитной энергии, в частности и на измери-

тельные цепи регистрирующей аппаратуры. Для кор-

ректного измерения сигналов помех от ЭСР требуется

установка с очень хорошей экранировкой, а так же на-

личие гальванической развязки цепей измерительной

установки от цепей остального оборудования.

Соответствующее оборудование было разрабо-

тано и изготовлено в МОКБ «Марс» - испытатель-

ный стенд камера Фарадея. Камера представляет со-

бой замкнутый металлический объем, в крышке ко-

торого выполнено окно со сменными панелями, для

установки различных разъемов Распайка разъема

сменной панели повторяет распайку блочного разъе-

ма, к которому в рабочем режиме пристыковывается

испытуемый кабель. Внутри камеры Фарадея разме-

щается четырехканальный осциллограф TDS 2024B,

входы которого коаксиальными кабелями подключе-

ны к соответствующим контактам разъема сменной

панели. Там же размещается источник бесперебой-

ного питания, обеспечивающий автономную работу

осциллографа в течение полутора часов. Управление

осциллографом и прием осциллограмм осуществля-

ется от удаленного компьютера по цифровому воло-

конно-оптическому кабелю. Вследствие принятых

мер наводки на открытый разъем камеры Фарадея

при воздействии на ее корпус контактного ЭСР на-

пряжением 20 кВ не превышают 5 мВ.

Испытательный стенд представляет собой камеру

Фарадея, установленную на проводящей поверхности и

имитатор бортового устройства – замкнутая металли-

ческая коробка объемом 1 дм

с разъемом для подклю-

чения второго конца испытуемого кабеля, соединенные

в испытательную схему в соответствии с рис.1.

Рис. 1. Схема измерений уровней помеховых сигналов при воздействии ЭСР.

1 – диэлектрический стол; 2 – плоскость связи; 3 – шина заземления; 4 –диэлектрическая прокладка; 5 –

перемычка металлизации; 6 – проводник соединяющий плоскость связи с шиной заземления через 2 резистора

470 кОм [1]; 7 – генератор ЭСР; 8 – место воздействия ЭСР на испытываемые кабель и разъем; 9 –токовый ин-

дуктор; 10 – камера Фарадея, 11 – оптоволоконный кабель передачи сигналов измерительной информации, 12 –

удаленное рабочее место; 13 – испытываемый кабель; 14 – имитатор бортового устройства.

438

Основные этапы разработанной методики про-

ведения испытаний:

- Выбирается испытуемый кабель (13);

- На сменной панели камеры Фарадея (10) и имита-

торе бортовых устройств (14) устанавливаются

разъемы, являющиеся ответными по отношению

к разъемам испытуемого кабеля (13);

- На соответствующие контакты разъемов распаи-

ваются нагрузки, эквивалентные реальным;

- Испытываемый кабель размещается на диэлек-

трической поверхности (4) над проводящей по-

верхностью [1] испытательного стенда (2) и под-

ключается к входному разъему камеры Фарадея

и имитатора бортовых устройств;

- С управляющего компьютера (12) по цифровой

волоконной линии связи (11) в осциллограф за-

гружаются установочные данные: развертка, ко-

эффициенты отклонения по каждому каналу, ка-

нал запуска, измерение амплитуд сигналов и т.д.

- С управляющего компьютера осциллограф пере-

водится в ждущий режим;

- В выбранную точку испытуемого кабеля (8) с

помощью генератора электростатических разря-

дов ESD 30N (7) с разрядной цепью 150 Ом, 1000

пФ осуществляется электростатический разряд

(рис.2);

- На расстоянии нескольких сантиметров от испы-

туемого кабеля параллельно ему укладывается

провод токового индуктора (9) длиной ~ 1 м[2].

Концы провода подключаются к генератору ЭСР

(7);

- В контуре токового индуктора с помощью гене-

ратора электростатических разрядов ESD 30N с

разрядной цепью 150 Ом, 1000 пФ создается им-

пульсный ток безыскрового электростатического

разряда (рис.3);

- Осциллограммы наведенных помеховых сигналов

на внутренних проводниках кабеля сохраняются в

памяти компьютера.

- Повторяя описанные операции для различных

точек на испытуемом кабеле и для различных ка-

белей, определяются уровни помеховых сигна-

лов, формируемых во внутренних цепях испыты-

ваемых кабелей.

Для проведения натурных испытаний бортовая

кабельная сеть космического аппарата была разделе-

на на следующие группы:

1. Кабели цифровых последовательные шин –

выполнены экранированной витой парой, минималь-

ные используемые уровни цифрового сигнала 5 В;

2. Кабели аналоговых именительных цепей –

исполнение экранированное;

3. Кабели системы электроснабжения – экраниро-

ванные двухпроводные линии, постоянный ток 27В.

Рис. 2. Имитация ЭСР на испытываемый кабель.

1 – места воздействия искровым и безыскровым кон-

тактными ЭСР на испытываемый кабель; 2 – генера-

тор ESD 30N; 3 – камера Фарадея; 4 – имитатор бор-

тового устройства.

Рис. 3. Испытания кабеля с помощью

токового индуктора.

1 – токовый индуктор, подключенный

к генератору ЭСР; 2 – испытываемый образец;

3 – генератор ESD 30N; 4 – камера Фарадея;

5 – имитатор бортового устройства.

Разделение на группы необходимо для умень-

шения числа испытываемых образцов. Результаты из-

мерений уровней помеховых сигналов, возникающих в

разных группах кабелей бортовой кабельной сети сис-

темы управления космического аппарата KazSat-2 при

воздействии ЭСР, приведены в таблице 1.

439

Таблица 1 Результаты измерений уровней помеховых сигналов

Группа кабелей Тип воздействия

Максимальная ам-

плитуда помехового

сигнала в кабеле

Контактный искровой разряд (воздушный).

Амплитуда 20 кВ

110 мВ

Контактный разряд

Амплитуда 20 кВ

300 мВ

Группа 1:

Кабели цифровой последо-

вательной шины обмена

Воздействие импульсным полем через провод-

индуктор (бесконтактный безыскровой разряд в

контуре 20 кВ).

312 мВ

Группа 2:

Кабели аналоговых имени-

тельных цепей

Контактный разряд

Амплитуда 20 кВ

1 В

Группа 3:

Кабели системы электро-

снабжения

Контактный разряд

Амплитуда 20 кВ

1 В

Если не принять специальных мер по каче-

ственному экранированию кабельной сети, электро-

статические разряды, происходящие на борту косми-

ческого аппарата, могут вызывать помеховые сигна-

лы большой амплитуды и кроме мгновенных отка-

зов, могут приводить к отложенным отказам, т.е.

снижению времени безотказной работы элементов. В

этом случае, при проведении наземных стендовых

испытаний космических аппаратов возможны либо

выход из строя оборудования, либо возникновение

отложенных отказов, которые не могут быть выявле-

ны непосредственно в процессе испытаний. Исходя

из этого, рекомендуется проверку устойчивости бор-

товых систем начинать с испытания кабельной сети

и проводить в следующей последовательности:

1. Определить уровни помеховых сигналов при

воздействии ЭСР на кабели подсистемы космическо-

го аппарата нагруженные на имитаторы блоков. В

случае превышения допустимого уровня необходимо

принять меры к снижению величины помеховых

сигналов.

2. Определить уровни помеховых сигналов в це-

пях собранной системы (например, цепи контроля

стыковки и др.) при воздействии ЭСР на выключен-

ную бортовую систему.

3. Подтвердить обеспечение качества функцио-

нирования работающей бортовой системы при воз-

действии ЭСР.

Заключение.

Разработанный стенд для экспериментального

исследования уровней помех в бортовой кабельной

сети от ЭСР позволил получить амплитудные значе-

ния импульсных наводок в бортовых кабелях косми-

ческого аппарата и дать рекомендации по исследова-

нию устойчивости подсистем космического аппара-

та.

Литература:

1. ГОСТ Р 51317.4.2-99 Совместимость техниче-

ских средств электромагнитная. Устойчивость к

электростатическим разрядам. Требования и методы

испытаний. – Введ. 1999–24–14. – М.: Госстандарт

России, 2001 – 20с.

2. ECSS-E-ST-20-07C Space engineering. Electro-

magnetic compatibility. ECSS Secretariat. ESA-ESTEC.

Requirements & Standards Division. The Netherlands. –

2008. – Р. 89.

440

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF INTERFERENCE LEVELS IN THE

ONBOARD CABLE NETWORK FROM ESD TO ENSURE THE

FUNCTIONING OF SYSTEMS OF THE SPACECRAFT

ALISTIN

USSIA

ARCHENKO

USSIA

Moscow experimental constructor-design’s company “Mars”, e-mail: mokb-mars@mtu-net.ru

Abstract.

In the paper a construction of the stand and a method of experimental investigation of interference

levels in the spacecraft onboard cable network from electrostatic discharge are described. The levels of inter-

ference signals and recommendations for testing the spacecraft onboard systems are mentioned.

Measurement of interfering signals from electro-

static discharge (ESD) – a complicated engineering task.

Electrostatic discharge in addition to creating a powerful

electromagnetic pulse and conduction of the discharge

current is accompanied by multiple re-emission of elec-

tromagnetic energy, in particular, and the measuring

circuit detecting apparatus. For the correct measurement

of interfering signals from ESD requires a very good

screening, as well as the presence of electrical isolation

circuits measuring equipment from the chains of the re-

maining equipment.

Appropriate equipment was designed and manufac-

tured in the MOKB Mars - test stand chamber Faraday.

The chamber is a closed metal volume in the lid which

holds a window with removable panels for installation of

various connectors. The pinout connector of an access

panel repeats the real device. Inside the chamber Faraday

placed four channel storage oscilloscope, whose inputs

are connected via coaxial cable to the corresponding

connector contacts removable panel. In the same placed

uninterruptible power supply for autonomous operation

of the oscilloscope for a half hour. Remote control oscil-

loscope and reception waveforms provided from a re-

mote computer through a digital fiber-optic cable. As a

result measures taken to an open pickup connector

chamber Faraday impact on her body contact 20 kV ESD

shall not exceed 5 mV.

The test stand is a Faraday chamber, mounted on a

conducting plate and onboard simulator device - a closed

metal box with volume 1 dm

with a connector for the

second end of the test cable connected to the test circuit.

For a full-scale testing onboard cable network

spacecraft was divided into groups. The division into

groups is necessary to reduce the number of test samples.

The results of measurements of levels of interference

signals arising in different groups of cables onboard ca-

ble network control system of the spacecraft KazSat-2

under the influence of ESD are presented in Table 1.

During ground bench testing spacecraft recommend

checking the stability of the systems on board to begin

with testing the cable network, and a final test on-board

systems off and turned on state.

Table 1. Results of measurements of levels of interference signals.

Cable Group Type of influence

Amplitude interference

signal in the cable

Contact spark discharge (air discharge)

Amplitude of 20 kV

110 mV

Contact discharge

Amplitude of 20 kV

300 mV

Group 1:

Cables digital serial bus exchange

The impact of pulsed field through a wire-inductor

(non-contact non-sparking discharge in the circuit

20 kV).

312 mV

Group 2:

Cables nominatives analog chains

Contact discharge

Amplitude of 20 kV

1 V

Group 3:

Cables power supply system

Contact discharge

Amplitude of 20 kV

1 V