Основные положения методологии обеспечения стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов к воздействию радиационных эффектов космического пространства

Полный текст

Введение

В процессе натурной эксплуатации космический аппарат подвергается воздействию широкого диапазона факторов космического пространства, основными из которых являются радиационные эффекты. Обеспечение радиационной стойкости космического аппарата (КА) является сложной комплексной задачей, которая решается как на этапе разработки КА, так и за пределами этапов разработки - при проведении натурных экспериментов и исследований космического пространства.

Воздействие радиационных эффектов на КА

Работы по исследованию влияния радиационных эффектов на КА в мире и нашей стране проводятся уже несколько десятилетий. За это время с момента открытия радиационных поясов Земли достаточно подробно изучены физические радиационные условия орбитального функционирования КА, разработаны основные методологические принципы защиты бортовой аппаратуры (БА) КА от радиации [1].

С учетом того, что каждый КА содержит порядка 100-200 тыс. электронных компонентов, очевидно, что к электронной компонентной базе космического применения предъявляются исключительно высокие требования как по ее надежности, так и радиационной стойкости. В связи с этим совершенствование методологии обеспечения БА КА высоконадежной ЭКБ требуемого уровня радиационной стойкости имеет первостепенное значение для дальнейшего развития космической отрасли.

В АО «ИСС» в результате многолетнего сотрудничества с ведущими отечественными НИИ и вузами получен существенный задел в области исследования уровней и механизмов воздействия факторов космического пространства (ФКП) и обеспечения стойкости БА и КА к их воздействию.

Воздействие энергетических частиц на КА приводит к деградации его функциональных поверхностей и нарушению режимов функционирования активной ЭКБ, на основе которой выполнена БА КА. Ионизационная реакция различных типов ЭКБ отличается широким разнообразием, при этом отказы большинства ЭКБ происходят вследствие эффектов ионизации и структурных повреждений материалов, а также выделения тепла [2].

В ряде ЭКБ возникновение отказов под действием протонного и электронного облучений обусловлено деградацией характеристик за счет появления объёмных радиационных эффектов. Структурные повреждения (образование радиационных дефектов внутри кристаллической решетки) оказывают влияние на электрофизические характеристики материалов: снижают концентрацию, время жизни и подвижность носителей заряда.

Поверхностные ионизационные эффекты связаны, в основном, с накоплением зарядов в слоях подзатворных и пассивирующих диэлектриков, а также с изменениями характеристик границ раздела. Данные эффекты, в основном, определяют отказы современной ЭКБ при воздействии космической радиации.

Наряду с внутренними процессами в кристаллах ЭКБ при радиационных воздействиях имеют место сопутствующие внешние эффекты - электрические воздействия на выводы, утечки между выводами и др. В частности, появление на выводах ЭКБ импульсов напряжения и тока происходит в результате электростатических разрядов диэлектрических материалов из-за их радиационной зарядки при воздействии электронов и протонов космического пространства.

Высокоорбитальные КА связи, навигации и геодезии, созданные в АО «ИСС». функционируют на нескольких типах орбит, пересекающих практически все области околоземного космического пространства (рис. 1).

 

Рис. 1. Орбиты, на которых функционируют КА разработки АО «ИСС»

Fig. 1. Orbits on which spacecraft operate, developed by JSC ISS

 

Натурные эксперименты по исследованию факторов космического пространства

В АО «ИСС» имеется существенный опыт мониторинга параметров космической среды [3-5], проведены десятки натурных экспериментов на борту КА. результатом чего является уточнение физики и механизмов воздействия космической среды на КА. разработка и отработка методов и средств защиты, применение которых позволяет обеспечить длительный срок активного существования разрабатываемых КА (до 15 лет). В таблице приведены основные этапы развития системы мониторинга космической среды в АО «ИСС».

Полученные в процессе натурных экспериментов, проведённых в том числе и на борту КА, разработанных в АО «ИСС». данные о параметрах энергетических спектров потоков заряженных частиц и зависимости поглощенной дозы от толщины конструктивной защиты для каждой эксплуатируемой орбиты и спектра излучения конкретного вида задаются в табличной форме в виде зависимости поглощенной дозы от величины защиты [6].

Используя полученные зависимости при разработке БА, с учетом защиты, обеспечиваемой конструкцией КА и БА, по ранее разработанной методологии производится расчет величины суммарной поглощенной дозы для критичной ЭКБ, входящей в состав БА.

 

Основные этапы развития системы мониторинга космической среды на КА разработки АО «ИСС»

Орбита	Даты эксперимента	Регистрируемые параметры космической среды	Основные результаты исследований
Круговая 1 000 км	1968-1971 гг.	Потоки электронов и протонов	Уточнена модель радиационных поясов Земли, получены данные о планетарном распределении СКЛ
ВЭО	1968-1975 гг.	Потоки электронов и протонов, поглощённая доза
ГСО	1978-1990 гг.	Потоки электронов и протонов, поглощённая доза, электрические поля, внешняя помеховая обстановка	Подтверждена гипотеза о влиянии на КА факторов электризации
ГСО	1983-2003 гг.	Потоки электронов и протонов, поглощённая доза, электрические поля, внешняя помеховая обстановка	Исследованы процессы формирования магнитосферной плазмы, влияние солнечной активности на уровень радиационного воздействия
Круговая, 20 000 км	1983-2016 гг.	Потоки электронов и протонов, поглощённая доза, электрические поля, разности потенциалов, внешняя помеховая обстановка	Проведено уточнение модели радиационных поясов земли
ВЭО	2001-2003 гг.	Потоки электронов и протонов, поглощённая доза, помеховая обстановка	Проведены работы по уточнению модели космического пространства
ГСО	с 2017 г.	Поглощённая доза, помеховая обстановка, давление СВА внутри приборного отсека	Проводится уточнение модели радиационных поясов Земли, исследование параметров СВА и электризации
Круговая, 20 000 км	с 2017 г.	Потоки электронов и протонов, поглощённая доза, электрические поля, внешняя помеховая обстановка, давление СВА	Проводится уточнение модели радиационных поясов Земли, исследование параметров СВА и электризации

 

Далее на основе сравнительного анализа результатов расчета с данными о радиационной стойкости ЭКБ, полученных экспериментальным путем, с учетом требуемого коэффициента запаса, делается заключение о радиационной стойкости БА.

Данные по радиационной стойкости ЭКБ отечественного производства должны приводится в технических условиях (ТУ) на каждый конкретный типономинал заводом-изготовителем ЭКБ на основании результатов экспериментальных исследований на моделирующих установках (ускорители электронов, протонов, источник гамма-излучения) в виде его группы стойкости. Однако, как показал опрос заводов-изготовителей ЭКБ, испытаниям на воздействие дозы ЭКБ подвергаются в подавляющем большинстве только один раз перед их запуском в серийное производство. что не соответствует современным требованиям о необходимости периодичного подтверждения заявленного уровня стойкости, предъявляемым в контрактах при создании современных КА.

На основании вышеизложенного очевидно, что для решения проблемы обеспечения стойкости КА к воздействию радиационных дозовых эффектов в настоящее время в отечественной космической отрасли особое внимание следует уделить определению и подтверждению фактической радиационной стойкости применяемой элементной базы, что достигается в результате проведения периодических радиационных испытаний ЭКБ [7].

Создание и внедрение методологии гарантии радиационной стойкости элементной базы, используемой для комплектации КА разработки АО «ИСС»

До 2000-х гг. основой для проведения расчетных оценок радиационной стойкости являлись технические условия (ТУ) на ЭКБ. В типовых ТУ приводятся уровни радиационной стойкости в виде предельных значений радиационной стойкости, при которых значения критериальных параметров находятся в пределах нормы. При этом для абсолютного большинства ЭКБ указанные данные были получены в ходе приемочных испытаний при сдаче ЭКБ в серию и с тех пор не подвергались периодическим испытаниям на соответствие указанным в ТУ уровням радиационной стойкости.

В рамках работ по одному из международных проектов по созданию КА АО «ИСС» направило запросы в адрес 24-х заводов-изготовителей (ЗИ) по поводу периодичности испытаний выпускаемых ЭКБ на дозовые эффекты. Только от шести ЗИ пришли ответы о наличии протоколов испытаний ЭКБ. Остальные ЗИ ответили, что испытания не проводились с момента сдачи ЭКБ в серию.

В то же время для ЭКБ иностранного производства (ЭКБ ИП) уровня качества «space», предназначенной к применению именно в условиях воздействия космической радиационной среды, испытания на определение фактического уровня радиационной стойкости (дозовые эффекты) проводятся на выборке из каждой партии.

Проведение испытаний на дозовые эффекты всех партий активной ЭКБ процедура достаточно дорогостоящая и связана с большими временными затратами. Поэтому ведущие мировые производители космической техники разрабатывают некие компромиссные подходы в вопросе гарантирования радиационной стойкости бортовой аппаратуры. Таким образом, с целью минимизации финансовых затрат на проведение радиационных испытаний каждой летной партии ЭКБ на дозовые эффекты было необходимо проведение комплекса работ, связанных с обоснованием и введением в действие периодичности проведения испытаний применяемых ЭКБ.

В результате выполнения данных работ в АО «ИСС» в 2010 г. был выпущен и согласован в установленном порядке документ, регламентирующий периодичность проведения радиационных испытаний ЭКБ, количество выборки для испытаний и интенсивность облучения, -«Методика проведения испытаний по подтверждению требований стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов разработки АО «ИСС» к воздействию дозовых эффектов ионизирующих излучений космического пространства», устанавливающий условия, порядок и периодичность проведения испытаний на дозовые эффекты.

Основные положения данной концепции сводятся к следующему: учитывая, что существует непостоянство стойкости к суммарной дозе от партии к партии [8; 9], все активные элементы, в процессе производства которых не проводится контроль радиационной стойкости, должны быть подвержены радиационным приемочным испытаниям партии согласно определенной периодичности.

Периодичность испытаний может быть увеличена по результатам испытаний конкретных типов ЭКБ определенного производителя, что допускалось при одновременном выполнении следующих условий:

При формировании системы периодичности испытаний ЭКБ на дозовые эффекты был максимально учтен опыт работ в рамках ранее выполненных проектов. В соответствии с контрактными требованиями по данным проектам для подтверждения радиационной стойкости БА и КА в целом впервые в кооперации АО «ИСС» производился сплошной контроль радиационной стойкости.

С этой целью на первом этапе были организованы радиационные испытания 180 типономи-налов ЭКБ отечественного производства на дозовые эффекты.

Результаты первого этапа испытаний подтвердили целесообразность реализуемого подхода -из 180 типономиналов ЭКБ отечественного производства, подвергнутым испытаниям на гамма-установке, у 42 типов ЭКБ было зарегистрировано отклонение контролируемых критериальных параметров за нормы ТУ при наборе дозы, ниже заявленной в ТУ на данные ЭКБ [10]. Своевременное определение фактической радиационной стойкости ЭКБ позволило провести необходимую доработку БА и тем самым обеспечить требуемую радиационную стойкость создаваемого КА, а соответственно и требуемый САС КА.

Полученные результаты позволили начать создание базы экспериментальных данных по радиационной стойкости ЭКБ. которая используется при работе по последующим проектам с ее постоянным обновлением и пополнением.

Таким образом, в кооперации АО «ИСС» к 2010 г. была разработана и внедрена эффективная система подтверждения радиационной стойкости, применяемой в составе автоматических космических аппаратов элементной базы, основанная на периодичном проведении радиационных дозовых испытаний выборок из партий ЭКБ, предназначенных для комплектации БА изготавливаемых КА.

Основные положения «Методики проведения испытаний по подтверждению требований стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов разработки АО «ИСС» к воздействию дозовых эффектов ионизирующих излучений космического пространства» были введены в очередную редакцию ОСТ134-Ю34-2012 «АППАРАТУРА, ПРИБОРЫ, УСТРОЙСТВА И ОБОРУДОВАНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ. Методы испытаний и оценки стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электронного и протонного излучений космического пространства по дозовым эффектам» [11].

В 2017 г. была разработана и внедрена для применения «Типовая методика проведения ускоренных испытаний изделий электронной техники на стойкость к воздействию длительного низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического пространства по дозовым эффектам на испытательном гамма-комплексе типа «Радиан». Данная методика полностью соответствует требованиям отраслевого стандарта и определяет порядок проведения испытаний ЭКБ, выполненной по биполярной технологии, потенциально чувствительной к низкоинтенсивному излучению, и использования гамма-излучения низкой интенсивности 0,01 рад/с.

Создание экспериментальной базы для радиационной стойкости элементной базы, используемой для комплектации КА разработки АО «ИСС»

Параллельно с разработкой и внедрением методологических основ системы подтверждения радиационной стойкости применяемой в составе автоматических космических аппаратов элементной базы, в кооперации АО «ИСС» были развернуты работы по созданию необходимой экспериментальной испытательной базы.

В 2001 г. совместным решением АО «ИСС», АО «НИЦ, «Полюс» и Томского политехнического университета было принято «Решение по вопросу организации работ по определению радиационной стойкости ЭКБ на базе НИИ Интроскопии Томского политехнического университета и АО «НПЦ "Полюс”».

В данном Решении отмечалось, что НИИ ИН ГПУ располагает испытательным стендом на основе линейного ускорителя ЭЛУ-4..., а НПЦ «Полюс» располагает комплексом аттестованного оборудования для контроля и измерения параметров ЭКБ.

В 2006 г. было разработано «Решение о проведении работ по внедрению системы гарантии радиационной стойкости элементной базы».

Для последующего осуществления элементов системы гарантии радиационной стойкости электронных компонентов и проведения испытаний лётных партий ЭКБ на дозовые эффекты в г. Томске на основе НИИ Интроскопии ГПУ и АО «НПЦ «Полюс» была создана интегрированная испытательная инфраструктура, включающая набор моделирующих радиационных установок, испытательной и контрольно-измерительной аппаратуры, которая обеспечивает отбраковку потенциально-ненадежных компонентов и оценку радиационной стойкости закупленных партий электронных компонентов, изготовленных по различным технологиям, в сроки, определяемые заданной длительностью разработки бортовой аппаратуры КА (рис. 2).

 

Рис. 2. Линейный ускоритель электронов ЭЛУ-4 (<?), гамма-излучатель «Рокус-АМТ» испытательного комплекса «Радиан» (б), гамма-излучатель «Рокус-АМТФ» испытательного комплекса «Радиан-2» (в)

Fig. 2. Linear electron accelerator ELU-4 (a), gamma-emitter «Rokus-АМТ» of test complex «Radian» (6), gamma-emitter «Rokus-AMTF» of test complex «Radian-2» (в)

 

В состав разработанной испытательной инфраструктуры входят:

Установки оснащены рельсовой, дистанционно-управляемой системой для изменения мощности дозы в процессе облучения, без приостановки испытаний, неравномерность поглощенной дозы по выборке ЭКБ на гамма-комплексах не превышает 10 %.

В процессе облучения ЭКБ, находящаяся на испытательных платах в активном электрическом режиме, располагается в (Pb-Al) контейнерах, которые обеспечивают фотопоглощение низкоэнергетической компоненты излучения и равновесный спектр электронов, близкий к спектру электронов в кремнии при облучении его высокоэнергетическими гамма-квантами.

Результаты внедрения методологии гарантии радиационной стойкости элементной базы, используемой для комплектации КА разработки АО «ИСС»

По разработанной методологии были проведены входной контроль, диагностика и контрольные радиационные испытания более 1800 лётных партий ЭКБ, более чем 570 типономи-налов, изготовленных по разным технологиям. Обнаружено несколько десятков потенциальноненадёжных электронных компонентов разного уровня сложности, изготовленных по различной технологии. Для 199 типономиналов (35 %) зафиксированы отказы до достижения уровня стойкости, гарантированного изготовителем.

Было установлено, что ЭКБ биполярной технологии при низкоинтенсивном облучении более часто, хотя и не всегда, демонстрируют меньшую радиационную стойкость, чем та, которую определили при испытаниях на высокой интенсивности облучения [13]. Кроме того, установлено влияние мощности дозы на характер отжига при повышенной температуре после облучения одной и той же дозой и близких дозовых изменениях критериального параметра ЭКБ, что необходимо учитывать при экстраполяции результатов на натурные условия космического пространства.

Таким образом, решение проблемы обеспечения надежного длительного функционирования бортовой аппаратуры КА в отношении отказов, обусловленных дозовыми эффектами низкоинтенсивного ионизирующего излучения, потребовало создания новой испытательной инфраструктуры, а также аппаратурного и методического обеспечения применительно к электронным компонентам различного уровня интеграции.

Заключение

В настоящее время созданная интегрированная испытательная инфраструктура, включающая описанные моделирующие радиационные установки, испытательную и контрольноизмерительную аппаратуру, позволяет в требуемые сжатые сроки провести выявление потенциально-ненадежных компонентов и оценивать радиационную стойкость партий электронных компонентов предприятий-поставщиков.

На основе результатов проведенных испытаний лётных партий ЭКБ сформирована уникальная база электронных данных, позволившая увеличить интервалы проведения испытаний потенциально надежных ЭКБ (в настоящее время 40 типономиналов) а, следовательно, и сократить объемы требуемых испытаний.

Созданная испытательная инфраструктура и периодические радиационные испытания электронных компонентов лётных партий на дозовые эффекты стали обязательной составной частью системы обеспечения радиационной стойкости БА КА разработки кооперации предприятий АО «ИСС» [14].

Об авторах

Игорь Александрович Максимов

Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Автор, ответственный за переписку.
Email: mia@iss-reshetnev.ru

доктор технических наук, начальник отдела

Россия, 662972, Железногорск Красноярского края. ул. Ленина. 52

Сергей Григорьевич Кочура

Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: kochura@iss-reshetnev.ru

кандидат технических наук, заместитель генерального конструктора по электрическому проектированию и системам управления КА

Россия, 662972, Железногорск Красноярского края. ул. Ленина. 52

Сергей Александрович Авдюшкин

Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: avdyushkin@iss-reshetnev.ru

начальник группы

Россия, 662972, Железногорск Красноярского края. ул. Ленина. 52

Список литературы

Дополнительные файлы