IMPROVEMENT OF SPACECRAFT MIRROR ANTENNA AND ELECTRONIC CIRCUIT BOARDS RELIABILITY

全文:

Введение. Надежность антенн и электронных модулей бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов (КА) зависит от термопрочностных процессов, происходящих в их конструкции в экстремальных условиях орбитального полета, что квалифицируется при наземной экспериментальной отработке (НЭО) в основном в результате прецизионных измерений термодеформаций в термовакуумных условиях, а также по результатам математического компьютерного моделирования соответствующих характеристик. Таким образом, проблема повышения надёжности зеркальных антенн всё увеличивающихся размеров при всё более ужесточаемых требованиях к среднеквадратичному отклонению параболоида, как и миниатюризация электронных модулей и уплотнение монтажа на платах, являются актуальными задачами, решение которых связано с прецизионными измерениями при НЭО в термовакуумных условиях. При этом надежность напрямую связана с долговечностью, которая, в свою очередь, зависит от протекающих в вышеперечисленных конструкциях термопрочностных процессов в экстремальных условиях орбитального полета. Циклические напряженно-деформируемые состояния приводят к усталостным изменениям в таких элементах конструкции, как проводники, металлизированные переходные отверстия, паяные и клеевые соединения, выводы и корпуса компонентов, полупроводниковые кристаллы, платы и подложки, что может привести к механическим и электрическим разрушениям и отказу после длительной эксплуатации [1]. Разрушение от усталости имеет ряд особенностей [2]: - разрушение происходит при напряжениях, меньших предела текучести или временного сопротивления; - разрушение начинается на поверхности локально, в местах концентрации напряжений; локальные концентрации напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения; концентрация напряжений возникает также из-за дефектов в виде следов обработки, воздействия среды; - разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образование трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение; - разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости; излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон - усталости и долома. Напряженное и деформированное состояние обычно можно изучить с большей точностью, чем провести оценку опасности этих состояний. Другими словами, из двух основных этапов оценки прочности - установления напряженного и деформированного состояния, а также соответствующих температурных полей и оценки опасности, т. е. собственно расчета на прочность, - второй этап менее изучен, о чем свидетельствует работа [3], в которой приведены результаты расчётов на термическую усталость, работа [4], где приведены расчеты на термическую устойчивость, работа [5], где приведены расчеты на ползучесть. Для анализа напряженно-деформированного состояния элементов сложных теплонапряженных конструкций бортовой РЭА КА, в которых применены материалы с зависящими от температуры физическими характеристиками, в последнее время всё чаще применяются не аналитические [6-11], а более универсальные и гибкие численные методы. Кроме анализа работоспособности теплонапряженных конструкций численные методы решения задач термоупругости часто используют при анализе неупругого поведения конструкций. Такой анализ можно проводить последовательными приближениями или последовательными этапами нагружения, например, методом конечных разностей (МКР) [8; 12]. Выбор методики проведения исследования. Результаты теоретических исследований расчетов подтверждаются в процессе НЭО. Основными параметрами, определяемыми при экспериментальных исследованиях, являются относительные деформации зонтичных антенн и плат в различных точках. Для плат предложено нанести две взаимно перпендикулярные полосы хрупкого покрытия на канифольной основе вдоль и поперек с установкой меток по краям и в термовакуумных условиях провести прецизионные измерения перемещения меток при различных температурах, затем с помощью микроскопа определить длину микротрещин, которую принять за допустимые деформации. При этом точность измерений предложена в пределах не больше 1/3 величины трещины. Предложенный метод является применением усовершенствованных известных методов хрупких тензочувствительных покрытий [13]. Что касается методов, основанных на применении оптических чувствительных покрытий, и методов голографической интерферометрии, то они, как правило, не позволяют измерить линейные перемещения с требуемой точностью, особенно при большом количестве контролируемых точек. Результаты проведения замеров. Приведем результаты контроля геометрических характеристик рефлектора при термических испытаниях на воздухе как первого этапа термоиспытаний, которые могут служить определённым ориентиром при дальнейших термовакуумных испытаниях для подтверждения несоответствий, полученных на воздухе. Объект и схема испытаний приведены на рис. 1. Рефлектор при испытаниях подвешивается на два замка зачековки. На рефлекторе было установлено 7 реперных знаков, закрепленных на магнитной подставке, приклеенной на контролируемую поверхность клеем ВК-9 (рис. 2). Для корректного определения углов разворота при термодеформации поверхности параболоида в местах крепления ножей, на них были установлены 3 шпильки с реперными знаками на конце каждой (Sh_1-Sh_3). На верхнем ноже (Sh_1) был подвешен груз, имитирующий весовую нагрузку от рефлектора. Четыре реперных знака, по которым производилось совмещение, были закреплены на тыльной стороне рефлектора (R_1-R_4). Ножи необходимы для того, чтобы увеличить расстояние измеряемой метки, увидеть редукцию и более наглядные результаты. Смещения измерительных меток измерялись под действием температуры. Ниже представлены отклонения от нормальных условий (НУ) перед началом всего этапа испытаний в случае нагружения точки Sh_1 (НУ) при заданных температурах сборки (+50, +70, +90, +120 ºС) (табл. 1) и остаточные отклонения исследуемых точек. Для наглядности также представлены схемы сборки с векторными отклонениями исследуемых точек в 2-х проекциях. Положение систем координат и направления осей соответствуют рис. 2. На рис. 3 представлено векторное отклонение точки Sh_1 при её нагружении. 2 1 Рис. 1. Схема расположения оборудования: 1 - контрольно-измерительное оборудование; 2 - объект испытаний Рис. 2. Схема расположения реперных знаков и системы координат Рис. 3. Векторное отклонение точки Sh_1 при её нагружении Таблица 1 Отклонения (деформации) рефлектора антенны (нормальные условия без груза) Наименование реперного знака Координаты X Координаты Y Координаты Z Суммарный вектор R_1 -0,020 -0,028 0,000 0,034 R_2 0,012 -0,017 0,000 0,021 R_3 0,017 0,038 0,000 0,042 R_4 -0,009 0,007 0,000 0,011 Sh_1 0,201 -1,218 0,039 1,235 Sh_2 -0,011 -0,010 0,012 0,019 Sh_3 -0,040 -0,003 0,062 0,073 Таблица 2 Углы разворота (угловые минуты) шпилек при различных условиях Обозначение реперного знака на шпильке Режим, температура Остаточные деформации 50 ºC 70 ºC 90 ºC 120 ºC Sh_1 1,5 3,3 10,4 33,3 34,9 Sh_2 2,5 1,7 1,7 1,7 2,8 Sh_3 2,1 1,6 1,6 1,1 1,7 Углы разворота шпилек при термодеформации рефлектора. Для оценки углов разворота шпилек использовалось приближение малых углов и проекции отклонений на любую плоскость. Расстояние от точки Sh_1 до рефлектора составляло приблизительно 430 мм, от точек Sh_2 и Sh_3 - 175 мм. В табл. 2 представлены вычисленные углы разворота (угловые минуты) относительно НУ при различных температурных условиях. Приведем результаты контроля геометрических характеристик рефлектора антенны в сборе со штангой при термовакуумных испытаниях, при критических температурах (второй этап термоиспытаний) для подтверждения несоответствий. На рис. 4 показано расположение оборудования и объекта испытаний. Сборка объекта испытаний во время испытаний была подвешена за кронштейн крепления штанги к рефлектору, как показано на рис. 4. Во избежание вращения сборка была закреплена проволокой за замки зачековки к стойкам силового каркаса. На сборке было расположено 13 реперных знаков, состоящих из магнитной подставки, приклеенной на контролируемую поверхность ОИ посредством клея ВК-9 и установленной на подставку сферической метки с пустотелым алюминиевым уголковым отражателем. Четыре реперных знака «b_», расположенных на тыльной стороне рефлектора, являются измерительной базой (рис. 5). Используя их координаты, при обработке результатов измерений производилось совмещение наилучшим образом массивов точек, измеренных в разных средах, с целью вычисления деформаций штанги. Девять реперных знаков «S_» были расположены на штанге сборки согласно рис. 5. Рис. 4. Схема расположения оборудования: ГВУ-60 - горизонтальная вакуумная установка объемом 60 м3; ОИ - объект испытаний; КО-ВИОП - контрольно-измерительное оборудование для термовакуумных условий Рис. 5. Схема расклейки реперных знаков Измерения были проведены в 6 этапов: - нормальные условия: 750 мм рт. ст., температура 25 ºС ; - вакуум: 10-5 мм рт. ст., температура ~25 ºС; - вакуум: 10-5мм рт. ст., температура на лицевой стороне рефлектора +50 ºС; - вакуум: 10-5мм рт. ст., температура на лицевой стороне рефлектора +90 ºС; - вакуум: 10-5 мм рт. ст., температура на лицевой стороне рефлектора +120 ºС; - нормальные условия: 750 мм рт. ст., 25 ºС (2НУ - нормальные условия на объекте испытаний после всего испытательного цикла). При достижении требуемой температуры на отражающей поверхности рефлектора Х ± 5 ºС режимы были выдержаны в течение часа, после чего производилось измерение. Изменение температуры на рефлекторе в ходе измерений не превышало ±3 ºС. Измерения были проведены следующим образом: сначала были измерены координаты базовых меток «b_», затем координаты меток на штанге «S_», потом опять базовые и снова на штанге, и так 5 раз. При обработке координаты пятикратных измерений каждой метки были усреднены. Набор статистики проводят для уменьшения в результатах измерений случайной составляющей погрешности. Пятикратное измерение каждой метки уменьшает величину случайной составляющей погрешности более чем в два раза. Далее путем совмещения по базовым меткам группы нужного режима с группой точек режима 1НУ были получены перемещения меток на штанге под воздействием вакуума и температуры, т. е. деформации. 17. В табл. 3 приведены величины рассеяния одних из реперов при наборе пятикратной статистики во всех режимах. Если диаметр облака метки был более 0,050 мм, то одну из пяти наиболее удалённых точек облака приравнивали к вылету с последующим удалением из расчёта величины рассеяния. Величина деформации штанги получена при совмещении всех режимов нагрева с 1НУ (первые нормальные условия) (рис. 6). Таблица 3 Диаметры облаков точек (величина рассеяния реперов) Номер метки Режимы 1НУ 1ВК 50 ºС 90 ºС 120 ºС 2НУ b_1 0,027 0,030 0,030 0,025 0,034 0,027 b_2 0,017 0,017 0,028 0,029 0,036 0,031 b_3 0,017 0,024 0,010 0,022 0,037 0,019 b_4 0,028 0,034 0,016 0,028 0,045 0,019 Рис. 6. Векторные отклонения 1НУ+100 ºС 18. Заключение 1. Предложен метод прецизионных измерений перемещений конструкций антенн и плат приборов с расположением контрольно-измерительного оборудования внутри барокамеры, заключающийся в измерении деформаций по перемещению меток (реперных знаков) при различных температурах. При этом на платах приборов метки устанавливают по краям двух взаимноперпендикулярных полос из хрупкого покрытия на канифольной основе, нанесенных предварительно. 2. Максимальная величина деформации штанги проявилась на фланце при +130 ºС. 3. Учитывая, что надежность антенн и электронных модулей напрямую связана с термопрочностными процессами, происходящими в их конструкции при воздействии глубокого вакуума, связанного с этими условиями теплообмена и больших перепадов температур, теоретические исследования подтверждаются при НЭО в основном в результате прецизионных измерений в термовакуумных условиях. 4. Предложен метод прецизионных измерений перемещений конструкций антенн и плат прибором с расположением контрольно-измерительного оборудования внутри барокамеры. При этом через полученные перемещения теоретически определяется напряженно-деформированное состояние испытуемых конструкций при крайних температурах в качестве расчетного случая. 5. Для повышения точности прецизионных измерений предложено пятикратное измерение координат меток с усреднением и последующим пересчетом термодеформаций конструкций и, соответственно, уточнением вероятности безотказной работы в течение требуемого срока активного существования на орбите (до 15 лет в настоящее время). 6. Для плат приборов наиболее критичным является исследование циклического напряженно-деформированного состояния, которое приводит к усталостным изменениям в элементах конструкции, и сравнение с имеющимися сведениями по циклической стойкости материалов. 7. Использование результатов выполненных работ в практике проектирования зеркальных антенн и бортовой радиоэлектронной аппаратуры космического назначения позволит повысить ее надежность за счет снижения проектных проб и ошибок, оптимизации режимов функционирования в процессе эксплуатации.

作者简介

V. Dvirniy

JSC “Information satellite system” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin Str., Jeleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

E. Morozov

JSC “Information satellite system” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin Str., Jeleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

G. Dvirniy

JSC “Information satellite system” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin Str., Jeleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

G. Krushenko

Institute of Computational Modeling SB RAS

50/44, Akademgorok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

V. Karaban

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics

40, Lenin Str., Tomsk, 634050, Russian Federation

参考

补充文件