Анализ радиационных воздействий
Под радиационными воздействиями следует понимать явления или процессы, внешние по отношению к РЭС, которые вызывают или могут вызвать нарушение или потерю их работоспособности в процессе эксплуатации. В состав радиационных факторов входят излучения, создаваемые ядерным взрывом, ядерными силовыми и энергетическими установками, и излучения, существующие в космическом пространстве (в том числе и солнечная радиация).
В первичных космических лучах различают галактические лучи, приходящие извне Солнечной системы, и солнечные лучи, связанные с активностью Солнца.
Солнечная радиация (ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, а также излучение в видимой части спектра) активно воздействует на работоспособность РЭС:
- изменяет цвет и структуру поверхностного слоя материалов (каучука, пластмасс, тканей и др.);
- разлагает полимеры, содержащие хлор, например полихлорвинил;
- разрушает лакокрасочные покрытия;
- способствует старению ряда материалов, например пластмасс;
- ускоряет процесс атмосферной коррозии.
Одной из важнейших причин, по которой происходят нарушения работоспособности РЭС на космических аппаратах, являются космические лучи — элементарные частицы и ядра атомов, родившиеся и ускоренные до высоких энергий во Вселенной.
Основными источниками радиационной опасности на космических аппаратах являются три наиболее мощных и достаточно хорошо изученных радиационных поля, которые отличаются своим происхождением и состоят из потоков частиц с отличными энергетическими спектрами:
|
|
|
- галактические космические лучи, превосходящие по своей проникающей способности все другие виды излучений, кроме нейтрино;
- солнечные космические лучи - главный источник мощных потоков корпускулярного и электромагнитного излучений на Земле;
- радиационные пояса Земли.
Радиационное воздействие вызывает как немедленную, так и накапливающуюся реакцию элементов, составляющих конструкцию РЭС. Среди существующих видов излучений наибольшую опасность для РЭС представляют рентгеновское излучение и гамма-лучи (длина волн менее 10 нм). Эти виды излучения обладают значительной проникающей и ионизирующей способностью и характеризуются дозой и мощностью излучения.
Наиболее существенное влияние на работоспособность РЭС оказывают вызванные радиационными излучениями пробои р-п-переходов у полупроводниковых приборов, расплавление и обрывы токоведущих дорожек, мест пайки (сварки) проводов из-за термо- и электродинамических напряжений, сбои в работе и появление ложных сигналов.
Радиационная обстановка внутри и снаружи космического аппарата зависит от параметров его орбиты, и схема радиационной защиты электропроводки и электронного оборудования должна выбираться с учётом характеристик орбиты. На высотах ниже 450 —500 км космонавты и РЭС находятся под защитой радиационных поясов Земли от космических лучей и солнечных протонов. На высотах более 500 км опасны протоны и нейтроны радиационного пояса Земли. На высотах более 30 тыс. км опасны космические лучи.
|
|
|
Наиболее чувствительны к воздействию космической радиации полупроводниковые и оптические материалы, в меньшей степени - полимерные материалы, самую высокую стойкость к воздействию радиации имеют металлы.
В интегральных микросхемах при облучении существенно изменяются характеристики вследствие изменения параметров входящих в них резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Так же изменяются изолирующие свойства разделительных p-n-переходов, возрастают токи утечки, появляются многочисленные паразитные связи между элементами структуры микросхем, что в результате приводит к нарушению их функционирования.
В современных интегральных схемах с высокой степенью интеграции электрические заряды, управляющие их работой, оказались сопоставимыми с зарядами, образующимися в материале микросхемы при прохождении тяжёлых ядер галактических космических лучей или высокоэнергетических протонов радиационных поясов Земли. Эти внесённые электрические заряды при перемещении их в электрических полях внутри микросхемы и приводят к возникновению сбоев.
|
|
|
При проектировании РЭС стойких к радиационным воздействиям целесообразно учитывать данные о стойкости к ним используемых электрорадиоэлементов.
При разработке РЭС космических аппаратов используются новые стойкие материалы, способные выдерживать нагрузки космических полётов (высокие температуры и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, микрочастицы и т.д.) и иметь достаточно низкую удельную массу. В качестве конструкционных материалов несущих конструкций РЭС чаще всего используются лёгкие металлы и сплавы и различные композиционные материалы. Например, магниевые сплавы не только являются самым лёгким конструкционным металлом, но и остаются единственным конкурентом конструкционных пластмасс, а также конкурентом алюминиевых среднепрочных сплавов по весовым характеристикам, имея перед ними существенные преимущества:
|
|
|
- высокие удельные прочность и жёсткость, хорошие усталостные свойства;
- стабильность механических свойств и размеров при длительном хранении благодаря отсутствию способности естественно стариться;
- способность работать в широком диапазоне температур: от криогенных (-70 .. -196°С) температур до высоких (кратковременно до 300 .. 350°С, длительно - до 200 .. 250°С);
- высокая демпфирующая способность, хорошее тепловое и противошумное экранирование и др.
Принципиально возможны три варианта защиты РЭС от радиационного излучения [36]:
- Общая экранировка. Обеспечивает эффективную защиту, однако увеличивает общую массу и габаритные размеры защитного устройства в целом.
- 
| Рис. 2.15 - Космическая станция «Мессенджер». Солнце около Меркурия в 11 раз ярче, чем на околоземной орбите, и температура нагрева корпуса аппарата может достигать 450°С, но благодаря защитному теплоизоляционному щиту, температура эксплуатации Мессенджера находится в пределах комнатной. |
| Солнцезащитный экран |
- Локальная защита. Обеспечивает минимальные массогабаритные характеристики её устройств, однако для её использования необходимо располагать достаточно подробными данными о стойкости защищаемых РЭС и их составных частей.
Воздействие на РЭС электромагнитных импульсов (ЭМИ) высокой интенсивности. Источниками ЭМИ являются многочисленные электромагнитные факторы естественного и искусственного происхождения: разряды молний и статического электричества, излучения радиолокационных и радиопередающих средств (РЛС и РПС), короткие замыкания в энергетическом оборудовании, в ЛЭП и т.п., стойкость к воздействию которых предусматривается в процессе проектирования современных РЭС [37].
Успехи в создании эффективных источников энергии и развитие новых методов генерирования мощных ЭМИ, имеющих высокую скорость нарастания и большую длительность, привели к созданию в США и России нового электромагнитного оружия (ЭМО), которое предназначено прежде всего для вывода из строя РЭС путём воздействия на уязвимые части РЭС электромагнитными импульсами. Доступность ЭМО или их составных частей на рынке вооружения приведёт к криминальному применению этих средств в процессе конкурентных "разборок", террористических проявлений отдельных групп лиц.
Воздействие электромагнитного оружия вызывает в цепях РЭС импульсы напряжений от 100 до 10000 В, массовые искрения оболочек кабелей на корпус аппаратуры и землю, пробои в разъёмах и воздушных промежутках между составными частями конструкции РЭС. Поражающее свойство ЭМО усиливается в несколько раз при неправильном проектировании РЭС: использовании внешних электромагнитных экранов с острыми углами, выступающих частей и локальных неоднородностей, нерациональной разводки внешних кабелей, внутренних цепей, систем заземления.
Защита РЭС от воздействия электромагнитного оружия выполняется методами рационального конструирования с использованием известных методов экранирования, ограничением уровней помех в цепях, применением различных систем заземлений и т.п. Для защиты РЭС от воздействий ЭМИ и разрядов молний может быть применено устройство экранирования аппаратуры с нелинейными свойствами – пропускающими слабый сигнал и экранирующий ЭМП высокой интенсивности (А.С. N 999185 от 20.03.81 г.). С этой же целью для повышения эффективности экранирования от ЭМИ разрабатываются также композиционные материалы с внутренним барьерным слоем, обладающим нелинейными свойствами.
Дата добавления: 2021-04-07; просмотров: 198; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!