ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПРИБОРОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Полный текст

Введение. Современное состояние космических средств связи характеризуется потребностью в мощных телекоммуникационных КА. Так, 26 декабря 2013 г. осуществлен запуск российского спутника «Экспресс-АМ5» разработки и изготовления АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» (АО «ИСС») с 84 транспондерами С-, Ku-, Ka- и L-диапазонов. В качестве модуля служебных систем на КА «Экспресс-АМ5» впервые применена унифицированная негерметичная платформа «Экспресс-2000» мощностью порядка 15 кВт [1]. На базе той же платформы собственной разработки 21 октября 2014 г. выведен на орбиту КА «Экспресс-АМ6», созданный в АО «ИСС», полезная нагрузка которого составила 72 транспондера и 11 антенн, работающих в диапазонах частот С, Ku, Ka и L [2]. Новый спутник для российской орбитальной группировки «Экспресс-АМ8» на срок активного существования (САС) 15 лет, имеющий 42 транспондера в диапазонах частот С, Ku, Ka, 2 марта 2015 г. доставлен самолетом АН-124-100 «Руслан» на космодром Байконур для подготовки к запуску [3]. Актуальность проблемы улучшения долговечности и надежности бортовой аппаратуры. Тенденции развития космической отрасли были обсуждены на XIX ежегодной конференции операторов и пользователей сети спутниковой связи и вещания в России SatComRus в начале октября 2014 г., где в качестве основных трендов и перспектив развития участники уделили внимание ресурсам мощных телекоммуникационных КА типа «Экспресс» разработки и производства АО «ИСС» [2]. Требования повышенной энерговооруженности и САС до 15 лет в вышеперечисленных КА делают актуальной проблему повышения долговечности и надежности различной бортовой электронной аппаратуры. Средства обеспечения улучшения долговечности бортовой аппаратуры. В АО «ИСС» такой положительный опыт имеется, например, при создании КА SESAT [4]. Благодаря примененной активной газожидкостной системе, обеспечившей для радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) температуру теплоносителя на выходе из радиатора в узком температурном диапазоне (27 ± 1 °С), были созданы комфортные условия, которые совместно с другими техническими решениями обеспечили к настоящему времени полуторный САС КА SESAT (15 лет). По результатам исследования профессора Г. Н. Дульнева, сужение температурного диапазона работы радиоэлектронных устройств на 10 °С уменьшает интенсивность их отказов на 25 % [5]. Состав системы терморегулирования для геостационарных КА. Для обеспечения улучшения долговечности бортовой аппаратуры важно принять правильную концепцию проектного облика СТР КА, например на следующих принципах, для геостационарного КА модульного исполнения: 1. Использование в качестве основных радиаторов СТР КА наружной поверхности сотовых приборных панелей полезной нагрузки (ПН) и платформы, расположенных на северной и южной панелях и покрытых высокоэффективным терморегулирующим покрытием ОСО-С на ПН и на платформе для обеспечения в течение заданного САС в периоды солнцестояний отвода тепловой мощности от оборудования ПН, включая теплопритоки от антенной подсистемы, на начало САС и на конец САС от оборудования платформы. 2. Использование автономных радиаторов СТР для терморегулирования аккумуляторных батарей (АБ) и обеспечения отвода тепловой мощности от АБ в периоды солнцестояний и в периоды прохождения теневых участков Земли и для терморегулирования двигательных блоков ориентации и стабилизации КА. 3. Применение тепловых труб (ТТ), встроенных в северную и южную панели ПН и платформы. ТТ обеспечивают отвод тепла от оборудования ретранслятора (РТР) и платформы, отвод тепла от теплообменных участков жидкостного контура (ЖК), равномерное распределение тепла по серверной и южной панелям КА для обеспечения требуемого теплоотвода в космическое пространство. 4. Применение ЖК на серверной и южной панелях ПН, встраиваемого в панели платформы, который обеспечивает отвод избыточного тепла от оборудования, расположенного на панели контрольно-измерительной системы (КИС) и астроплате, и частично от оборудования ПН, перенос избыточного теплового потока между серверной и южной панелями ПН, сужение диапазона регулирования температуры оборудования КА. На рис. 1 показан пример расположения радиоэлектронного прибора КА. Важным моментом является кондуктивная связь тепловыделяющего оборудования с приборными панелями или обшивками приборных панелей, например, за счет использования теплопроводящих заполнителей. При этом существует проблема сплошности заполнения и контроля сплошности, поскольку незаполненные места контакта иногда наблюдаются при отстыковке приборов для замены по результатам наземных испытаний. Тепловой анализ как средство оценки тепловой нагруженности бортовой аппаратуры. Тепловые анализы приборов выполняют при различных режимах работы оборудования [6]. Пример теплового анализа конструкции прибора приведен в работе [7]. Для обеспечения длительного срока работы электрорадиоизделий (ЭРИ) бортовых приборов (БП) теплонагруженных КА необходимо провести тщательный анализ их токовой нагрузки и обеспечить коэффициент нагрузки, равный отношению рабочего тока к максимально допустимому не более 30…50 %. Для проведения тепловых анализов БП рассмотрим типичную конструкцию, которая представляет собой металлическую рамку с приклеенными к ней с двух сторон многослойными печатными платами (МПП). Рамка выполнена из алюминиевой плиты, например, из сплава АМг6Б размером 231×174 мм, шириной от 15 до 35 мм. Толщина основания рамки - 1 мм; толщина стенок - 2…7 мм. Имеются крышки толщиной 1 мм и кронштейны толщиной 2…5 мм. МПП выполнены из стеклотекстолита с экранами из медной фольги. Суммарная толщина каждой платы - 0,9 мм. МПП крепится к рамке специальной клеевой пленкой. На МПП производится монтаж электрорадиоизделий. БП, например, состоит из 20 рамок с МПП и имеет геометрические характеристики 174×340×397 мм. Для проведения анализа стационарного теплового режима БП использовался метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в приложении COSMOS для программы Solid Works. Программа COSMOS использовалась: - для создания трехмерной геометрической модели; - задания теплофизических свойств материалов конструкции; - генерирования конечно-элементной сетки; - задания тепловых граничных условий; - вывода результатов расчета в графическом виде. Расчетная тепловая модель включает модели рамок и кронштейнов. Конечно-элементная модель БП представлена на рис. 2. Теплофизические характеристики материалов приведены в табл. 1. Тепловыделение ЭРИ задавалось равномерно на местах установки ЭРИ. Тепловыделение в БП задавалось равномерно распределенным по поверхности рамок. На контактных поверхностях БП задавалась постоянная температура 40,1 °С, с учетом термического сопротивления заполнителя контакта между БП и его посадочной поверхностью. В тепловом анализе рассмотрены «горячий» расчетный случай при максимальной гарантированной температуре посадочного места БП +40 °С и «холодный» расчетный случай при минимальной гарантированной температуре посадочного места БП -10 °С и отсутствии тепловыделения в приборе. В этом случае температура ЭРИ составит не ниже -10 °С. Теплоотвод от ЭРИ осуществляется за счет теплопроводности от корпуса элемента через клеевые соединения, подставки, прокладки на основание, а также по выводам элемента через проводники печатной платы на основание. Конструктивные параметры установки тепловыделяющих ЭРИ характеризуются теплонагруженностью, количеством выводов и их длиной, контактной площадью с материалом. Общая расчетная схема ЭРИ приведена на рис. 3. Рис. 1. Размещение прибора на северной и южной панелях платформы Таблица 1 Теплофизические характеристики материалов Элемент конструкции Материал Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) Кронштейны АМг6Б 117 Рамки блоков АМг6Б 117 Плата Стеклотекстолит + медные экраны 0,3 Выводы ЭРИ Оловянистая бронза 84 Клеи, пасты Эластосил 137-182 1,5 У-9М 0,3 ПКС-171 1 Рис. 2. Конечно-элементная модель БП Рис. 3. Расчетная схема ЭРИ Для проведения теплового расчета проводник печатной платы и стеклотекстолит разбиты по длине на участки, например по 5 мм. На тепловыделяющих ЭРИ учитываются значения тепловых проводимостей ai, тепловыделения ЭРИ, температура рамок в местах установки ЭРИ, перепады температуры ЭРИ относительно рамки. Принимается допущение, что максимальные температуры ЭРИ, в которых рассеиваемая мощность отсутствует или незначительна, равны максимальным температурам конструкции прибора в местах установки ЭРИ. Результат теплового анализа. Результаты расчета конструкции прибора показали, что температура посадочных мест БП находится в заданных пределах (от -10 до +40 °С). Расчеты показали, что температура ЭРИ БП находится в допустимых пределах. Влияние напряженно-деформируемых состояний на бортовые приборы. Надежность напрямую связана с долговечностью, которая, в свою очередь, зависит от протекающих в конструкциях БП 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 [8]. Разрушение от усталости имеет ряд особенностей [9]: - 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 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 менее изучен, о чем свидетельствуют работа [10], в которой приведены результаты расчетов на термическую усталость, работа [11] - расчеты на термическую устойчивость, работа [12] - расчеты на ползучесть. Для анализа напряженно-деформированного состояния элементов сложных теплонапряженных конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) КА, в которых применены материалы с зависящими от температуры физическими характеристиками, в последнее время все чаще применяются не аналитические [13-18], а более универсальные и гибкие численные методы. Кроме анализа работоспособности теплонапряженных конструкций при анализе неупругого поведения конструкций часто используют численные методы решения задач термоупругости. Такой анализ можно проводить последовательными приближениями или последовательными этапами нагружения, например, методом конечностных разностей (МКР) [15; 16; 19], при котором дифференциальное уравнение заменяется системой алгебраических уравнений (разностным уравнением). Экспериментальные исследования. Результаты теоретических исследований расчетов подтверждаются в процессе НЭО. Основными понятиями, определяемыми при экспериментальных исследованиях, являются относительные деформации плат в различных точках. Для плат предложено нанести две взаимно перпендикулярные полосы вдоль и поперек с установкой меток по краям, и в термовакуумных условиях провести прецизионные измерения перемещения меток при различных температурах. Затем при многократном увеличении на микроскопе исследовать величину микротрещин, которые принять за допустимые деформации. Точность прецизионных измерений должна быть не хуже 1/3 величины трещины. Предложенный метод является усовершенствованием применения известных методов хрупких тензочувствительных покрытий. Можно также использовать методы, основанные на применении оптических чувствительных покрытий, которые, однако, не позволяют измерить линейные перемещения с требуемой точностью, особенно при большом количестве контролируемых точек. Во избежание монтажных напряжений при крайних температурах важен геометрический контроль посадочных мест под БП, как, например, показано на рис. 4 [20]. В табл. 2, на рис. 5, 6 приведены результаты испытаний типичной платы БП в термовакуумных условиях, где X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2 - координаты измеренных точек P1-P4; begin - начальное положение точек, end - конечное положение точек, delta - разница между конечным и начальным положением. На рис. 7 показана установка платы БП при проведении термовакуумных испытаний. Рис. 4. Геометрический контроль базовой панели модуля полезной нагрузки мощного телекоммуникационного КА разработки и производства АО «ИСС» системой КИМ G-90 CS 45.20.12 (оптико-механический метод измерения) Таблица 2 Результаты испытаний платы БП в термовакуумных условиях Name Begin End Delta НУ1-+100 X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 dX dY dZ Magnitude P1 72,00 85,80 -0,09 72,07 85,88 -0,08 0,07 0,08 0,00 0,11 P2 55,24 -98,66 0,09 55,30 -98,75 0,09 0,06 -0,09 0,00 0,11 P3 -69,52 -89,41 -0,09 -69,60 -89,50 -0,08 -0,07 -0,09 0,00 0,12 P4 -57,72 102,27 0,08 -57,77 102,37 0,08 -0,05 0,10 0,00 0,12 Name Begin End Delta НУ1--100 X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 dX dY dZ Magnitude P1 72,00 85,80 -0,09 72,10 85,95 -0,08 0,10 0,14 0,01 0,17 P2 55,24 -98,66 0,09 55,33 -98,83 0,09 0,09 -0,16 -0,01 0,19 P3 -69,52 -89,41 -0,09 -69,63 -89,57 -0,08 -0,11 -0,16 0,01 0,19 P4 -57,72 102,27 0,08 -57,79 102,45 0,08 -0,08 0,18 -0,01 0,19 Рис. 5. График отклонения точек при режиме «плюс 100 и вакуум» Рис. 6. График отклонения точек при режиме «минус 100 и вакуум» Рис. 7. Плата БП на термовакуумных испытаниях Результаты измерений показывают, что максимальные магнитуды при максимальных крайних температурах -100 и +100 °С лежат в пределах от 0,278 до 0,290, и от 0,173 до 0,192 соответственно. Можно сделать вывод о том, что результаты тепловых анализов подтверждаются данными измерений, проведенными во время наземно-экспериментальной отработки. Заключение. Снижение нагрузок на комплектующие (от 30 до 50 %) позволяет увеличить долговечность бортовых приборов. Снижение нагрузок - практический способ сокращения отказов и увеличения надежности как на уровне комплектующих и приборов, так и на уровне КА в целом. Сужение температурного диапазона работы бортовых приборов, при правильном построении СТР КА, обеспечении кондуктивного обмена между БП и панелями КА и отвода тепла с панелей, подтвержденном тепловыми анализами, обеспечит увеличение долговечности БП современных высокоэнероговооруженных КА, подверженных воздействию термоупругих деформаций. Правильность данного подхода подтверждена положительными результатами эксплуатации телекоммуникационных космических аппаратов на базе платформ «Экспресс-1000» и «Экспресс-2000» разработки и изготовления АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» со сроком активного существования 15 лет, имеющих на борту транспондеры различных диапазонов мощностью до 15 кВт.

Об авторах

Н. А. Тестоедов

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»

Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

В. В. Двирный

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»

Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Е. А. Морозов

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»

Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Г. В. Двирный

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»

Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Н. В. Еременко

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»

Email: erko@iss-reshetnev.ru
Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Список литературы

Дополнительные файлы