Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гелиогеофизические факторы и фи зические механизмы воздействия космической среды на функциони рование космических систем 8
1.1. Гелиогеофизические факторы, воздействующие на функционирование космических систем 8
1.2. Физические механизмы воздействия космической среды на работу космических аппаратов в околоземном космическом пространстве 18
1.3. Задача анализа связи неисправностей в работе аппаратуры КА с космической погодой, решаемая в диссертации 29
Выводы 30
Глава 2. Систематизация рассматриваемых массивов отказов в работе бортовой аппаратуры спутников ... 34
2.1. Информация об исследуемых массивах отказов в работе бортовой аппаратуры спутников 34
2.2. Классификация данных об отказах в работе аппаратуры исследуемых спутников 38
2.3. Статистические данные, свидетельствующие о связи отказов вработеКА с параметрами космической погоды 45
Выводы 57
Глава 3. Анализ показателей надежности функциони рования бортовой аппаратуры исследуемых спутников в зависимости от гелиогеофизической обстановки 59
3.1. Характеристика гелиогеофизической обстановки за исследуемый интервал времени работы однотипных КА серии "Космос" 60
3.2. Определение средней наработки до отказа исследуемых К А и анализ ее связи с уровнем солнечной активности 62
3.3. Расчет потока отказов исследуемых КА и анализ его связи с параметрами солнечной активности 66
3.4. Возможная временная задержка между магнитосферной возмущенностью и отказами в работе аппаратуры КА 69
3.5. Анализ связи потока отказов с геомагнитной активностью 75
Выводы 82
Глава 4. Методика управления аппаратурой спутников с учетом наличия воздействия на ее работу гелиогеофизических факторов 85
4.1. Организационные пассивные методы снижения негативного воздействия электризации на аппаратуру КА (общие и частные рекомендации) 86
4.2. Организационный активный способ снижения уровня электростатического заряда 92
4.3. Экспертная система анализа функционирования бортовой аппаратуры и поддержки принятия решений в условиях воздействия гелиогеофизических факторов на бортовые системы при управлении спутниками 97
Выводы 105
Заключение 107
Литература 108
- Физические механизмы воздействия космической среды на работу космических аппаратов в околоземном космическом пространстве
- Классификация данных об отказах в работе аппаратуры исследуемых спутников
- Определение средней наработки до отказа исследуемых К А и анализ ее связи с уровнем солнечной активности
- Организационный активный способ снижения уровня электростатического заряда
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию связи отказов в работе космических аппаратов (КА) с гелиогеофизическими возмущениями и на этой основе — разработке методов снижения негативного воздействия гелиогеофизических возмущений на бортовую аппаратуру КА при функционировании последних в магнитосфере Земли.
Актуальность проблемы.
Космические аппараты являются самым современным и очень дорогостоящим инструментом, используемым мировьм сообществом для решения научных и прикладных проблем, связанных с освоением околоземной среды. В реализацию космических программ передовые государства мира вкладывают огромные средства, так как новые знания о физических процессах в верхней атмосфере Земли и ее магнитосфере и новые технологии, способствующие получению этих знаний, позволяют развивать быстродействующие информационные системы, системы контроля состояния околоземного пространства, навигационные системы, системы поиска полезных ископаемых, оборонные и разведывательные системы и т. д.
Гелиогеофизическая возмущенность может оказывать воздейсвие на работу космических аппаратов, выводя из строя солнечные батареи и электронные устройства вследствие повышенного уровня солнечной радиации и энергичных частиц. Взаимодействие КА с плазмой магнитосферы может приводить к образованию зарядов на поверхности и в объемных пространствах элементов КА. Разряды образованных зарядов приводят к сбоям в цепях управления бортовых систем КА. Изменения плотности околоземной среды вдоль траектории полета КА способно непредсказуемым образом изменить параметры орбиты КА, что может привести к срыву программы полета. До настоящего времени в нашей стране многими руководителями разработок космической техники считалось, что повышение надежности функционирования КА и увеличение сроков их работоспособного состояния может происходить только путем использования более надежных элементов и материалов или созданием резерва и автоматизированных систем поиска и устранения неисправностей. Чтобы изменить это широко распространенное мнение, необходимо показать, что существующее гелиогеофизическое влияние на КА приводит к тому, что значительные финансовые затраты оказываются напрасными: непредвиденное взаимодействие КА с возмущенной магнитосферной плазмой и электромагнитными полями, возникающими в ней, создает сбои в работе бортовой аппаратуры, вызывает отказы отдельных элементов и целых блоков. Это приводит к выходу из строя отдельных и нескольких систем на КА и, соответственно, к срыву всей программы полета.
Важность проблемы негативного воздействия космической среды на работу космических систем в последние годы признается за рубежом. Американские исследователи провели анализ отказов в работе космических систем США и представили серьезные доказательства того, что гелиогеофизическая возмущенность является в ряде случаев прямой причиной отказов в работе КА, в том числе спутников, обеспечивающих получение важной стратегической и прикладной информации (разведка, навигация, поиск полезных ископаемых, связь, метеоданные и т.п.).
Выделение и анализ отказов в работе КА, связанных с гелиогеофизическими возмущениями, может не только способствовать защите космических систем в будущем, но и поможет разработать принципы продления жизни КА, функционирующих в настоящее время в околоземном космическом пространстве.
Целью работы является:
Создание базы данных отказов в работе 49 однотипных российских КА серии "Космос" и выявление связи отказов с гелигеофизическими возмущениями. Для решения этой задачи в работе рассмотрены около 400 неисправностей в работе бортовой аппаратуры КА.
Систематизация информации об отказах в работе КА и возможных причин появления отказов, а также информации о состоянии магнитосферы Земли в интервалы времени, когда появляется опасность возникновения отказа по причине гелиогеофизической возмущенности.
Создание методики ослабления негативного воздействия гелиогеофизической активности на работу КА в магнитосфере Земли.
Научная новизна.
Впервые рассмотрен широкий спектр отказов в работе 49 однотипных отечественных КА серии "Космос" за длительный период наблюдений (1970 - 1997 годы). Подобный по масштабам объем данный, имеющийся в мире, относится к разнотипным КА. Предложен и впервые реализован метод снижения воздействия гелиогеофизических возмущений на бортовую аппаратуру КА, разработка которого была основана на проведенном автором анализе связи отказов в работе КА с его местоположением в магнитосфере Земли во время гелиогеофизических возмущений. Применение разработаного метода дало положительный эффект: снижение количества отказов бортовой аппаратуры и увеличение среднестатистического срока активного функционирования КА.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Банк данных по отказам в работе бортовой аппаратуры однотипных отечественных спутников серии "Космос" за период их работы в течение 1970-1997 годов и метод классификации отказов.
Доказательство негативного воздействия мапштосферных возмущений на функционирование космических систем посредством анализа статистики отказов в работе бортовой аппаратуры однотипных отечественных спутников серии "Космос" за исследуемый интервал времени с 1970 по 1997 годы.
Методика, разработанная на основе выделенной связи статистики отказов исследуемых космических аппаратов с гелиогеофизической активностью, позволяющая уменьшить число отказов бортовой аппаратуры и увеличить сроки работоспособного состояния спутников более чем на 50%.
Научная и практическая ценность.
На работоспособность космического аппарата в целом и его узлов, а также на свойства и характеристики материалов в космосе оказывают воздействия космический вакуум, корпускулярные излучения, электромагнитные излучения, космический холод и другие условия. В ходе длительной эксплуатации отечественных и зарубежных спутников высказывались предположения о возможном воздействии околоземной среды на элементы и узлы КА. Однако реальных статистических доказательств катастрофического воздействия околоземной среды и электромагнитных процессов в ней на спутниковые системы получено мало, особенно в нашей стране. Такие доказательства ранее приводились на основе анализа работы отдельных спутников или единичных сбоев КА, связанных с конкретными ситуациями на Солнце и в магнитосфере Земли.
Созданный уникальный по своему объему банк отказов в работе однотипных спутников за большой период времени (1970 - 1997 гг.) позволяет проверить наличие закономерностей, свидетельствующих о реальном негативном влиянии космической погоды на работу КА. Собранный материал позволяет, опираясь на постулат о решающей роли уровня геомагнитной возмущенности в день регистрации отказа или в предыдущие дни, получить аналитические соотношения между вероятностью появления отказа и уровнем возмущенности. Такие соотношения особенно полезны для прогноза опасных периодов в дни повышенной гелиогеофизической активности, когда возникновение отказов в работе бортовой аппаратуры КА наиболее вероятно.
В настоящее время в эксплутационно-технической документации значительной части КА не отражены особенности управления КА в условиях воздействия на их аппаратуру факторов космической среды, уровень которых существенно возрастает при повышенной солнечной активности. В существующей документации, как правило, не предполагается, что отказы и аномальные явления в работе КА могут быть обусловлены воздействием космической среды и поэтому в ней отсутствуют рекомендации по анализу и систематизации соответствующих неисправностей, вызванных воздействием. В документации на пунктах управления КА также нет рекомендаций и по возможным действиям, направленным на снижение негативного воздействия гелиогеофизических факторов. Это не позволяет в полном объеме реализовать технические возможности каждого конкретного КА, что существенно снижает эффективность использования КА в условиях повышенной солнечной активности. В процессе работы над диссертацией разработаны и внедрены в практику управления спутниками серии "Космос" методы, позволившие заметно снизить негативное воздействие околоземной среды на работу бортовой аппаратуры КА.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Первая глава посвящена обзору существующих физических представлений о природе воздействия околоземной космической среды и электромагнитных процессов в ней на работу космических систем и анализу экспериментальных данных, подтверждающих такое воздействие. В качестве воздействий рассматриваются: а) эмиссионные процессы на внешней поверхности КА; б) радиационное воздействие на материалы и элементы КА; в) воздействие ионосферы Земли на материалы внешней поверхности КА; г) воздействие космической среды на высоковольтное и СВЧ оборудование КА; д) электризация внешней поверхности КА; ж) влияние собственной атмосферы КА на работу бортовой аппаратуры.
В конце первой главы описывается постановка задачи, решаемой в диссертации: на основе материалов о неисправностях в работе аппаратуры российских однотипных спутников серии «Космос» привести достоверные доказательства различных уровней негативного воздействия космической погоды на аппаратуру исследуемых спутников. Во второй главе проводится систематизация рассматриваемых массивов отказов в работе бортовой аппаратуры зарубежных и российских спутников и статистический анализ отказов российских КА. В третьей главе проводится анализ показателей надежности бортовой аппаратуры российских спутников в зависимости от гелиогефизической обстановки. Исследуется связь показателей надежности с параметрами солнечной активности (число Вольфа, F10,7) и с параметрами геомагнитной активности (среднесуточныые значения индексов аа, ар, АЕ, Dst). В четвертой главе излагается методика управления аппаратурой КА в условиях воздействия гелиогефизических факторов, а также представлены результаты о положительном эффекте ее применения. В заключении изложены основные результаты диссертации.
Физические механизмы воздействия космической среды на работу космических аппаратов в околоземном космическом пространстве
Космическая среда в околоземном пространстве обладает рядом специфических особенностей. Во-первых, основное физическое условие космического пространства -— это вакуум. Другими его условиями являются: электромагнитные излучения Солнца, Земли и других небесных тел; корпускулярное излучение (частицы солнечного ветра, радиационные пояса, космические лучи и т.д.), состоящие из заряженных (протоны, электроны, альфа частицы и др.) частиц; электрические и магнитные поля; метеориты; невесомость. Космическое пространство характеризуется низкими концентрациями (по сравнению с атмосферой) нейтральных (молекулярных, атомарных) и заряженных частиц. По мере удаления от Земли концентрация частиц, а следовательно и давление уменьшаются: на удалениях около 100 км до 10-2 Па; 200 км около 10 -4 Па; 500 км около 10 -6 Па; 1000 км около 10-8 Па; 20000 км около 10-12 Па. С увеличением расстояний происходит также изменение температуры и химического состава частиц. Кинетическая температура частиц увеличивается с примерно 300 до порядка 10 3 к. На небольших (порядка до 60 км) расстояниях газ существует практически только в виде нейтральных молекул; начиная с расстояний, превышающих 60 км, возрастает концентрация электронов и ионов, а на расстояниях более 700-800 км газ существует преимущественно в виде ионов. Вакуумные условия в космосе существенно не изотропны. Так, потоки частиц от Солнца на несколько порядков превышают потоки частиц в противоположном направлении. То есть космическое пространство действует как поглотитель частиц. Температура любого тела в космосе устанавливается в результате теплового баланса. Космос является совершенным поглотителем электромагнитного излучения. Равновесная температура нетепловыделяющего тела здесь составляет 3-4 К. Плотность солнечного излучения на орбите Земли равна около 1,4 кВт/м2. Альбедо Земли имеет величину около 0,48 кВт/м2, а собственное излучение Земли порядка 0,23 кВт/м 2, На работоспособность космического аппарата, его узлов, свойства и характеристики материалов оказывают воздействия главным образом космический вакуум, корпускулярные излучения, электромагнитные излучения, космический холод и в меньшей степени другие условия. Достаточно большой опыт эксплуатации отечественных и зарубежных спутников выявил причины и следствия воздействия околоземной среды на элементы и узлы КА.
Элементы и узлы КА, параметры этих элементов и факторы космической среды, воздействующие на КА представлены в таблице 1.2. Материалы в космическом пространстве испытывают воздействие практически всех видов ионизирующих излучений как корпускулярной, так и электромагнитной природы. Мощным источником такого рода излучений является Солнце. На малых высотах КА испытывают воздействие набегающего потока частиц верхних слоев атмосферы. Под действием первичных частиц в веществе КА образуются вторичные частицы и излучения: атомы и электроны отдачи, кванты тормозного излучения, продукты ядерных взаимодействий быстрых частиц с веществом и т.д. Эти вторичные ионизирующие излучения во многих случаях определяют конечный эффект воздействия космического излучения на материалы КА. Эмиссионные процессы, протекающие под действием факторов космической среды на внешней поверхности КА и открытых элементах бортовой аппаратуры, могут оказывать значительное влияние на работу приборов и систем КА и аппарата в целом. Эмиссия электронов и ионов с поверхности КА возникает в результате воздействия на материалы коротковолнового электромагнитного излучения Солнца, корпускулярного излучения разных видов в широком энергетическом диапазоне, микрометеорных и пылевых частиц галактического и планетного происхождения. В ионосфере Земли (на высотах 200 - 1000 км) эмиссия с поверхности КА возникает также под действием набегающего потока нейтральных и ионизированных газовых частиц. В этом случае эмиссионные процессы тесно связаны с плазмохимическими реакциями, протекающими на поверхности КА Эмиссионные процессы играют существенную роль в электризации поверхности КА, в формировании плазменной оболочки, окружающей аппарат. Возникновение эмиссии с электродов и изоляторов открытых высоковольтных устройств, находящихся на борту КА, может быть непосредственной причиной развития электрических пробоев в высоковольтных вакуумных промежутках таких устройств. Развитию пробоев способствует также накопление поверхностного заряда на изоляторах. Механизм эмиссии связан с проникновением первичного электрона вглубь мишени, во время которого электрон теряет свою кинетическую энергию в результате кулоновского взаимодействия с электронами мишени. Электроны вещества, получившие порцию энергии от первичного электрона, диффундируют к поверхности мишени. Если при достижении поверхности энергия возбужденного электрона превышает величину работы выхода материала мишени, электрон покидает поверхность.
Это будет истинный вторичный электрон. Кроме того, в состав потока электронов, идущих от мишени, входят упруго отраженные первичные электроны, потерявшие часть первоначальной энергии в материале мишени. Оптимальное значение энергии первичных электронов, при которой коэффициент вторичной эмиссии максимален лежит для металлов в области нескольких сотен эВ. Условия поглощения энергии первичного электрона в металлах и в диэлектриках приблизительно одинаковы, но потери энергии возбужденных на пути к поверхности в диэлектриках значительно меньше, чем в металлах. Вследствие этого диэлектрики имеют более высокий коэффициент вторичной эмиссии. В состав галактических космических лучей входят многозарядные тяжелые ионы с 9 11 энергией Е более 10-10 эВ, которые способны проходить через оболочку КА и вызывать эмиссию в элементах приборов и устройств внутри аппарата и в том числе на внешней поверхности КА, противоположной точке входа частицы. На поверхности КА может осуществляться процесс фотоэлектронной эмиссии под действием солнечного излучения. Известно, что эмиссия обнаруживает сильную чувствительность к состоянию поверхности. В условиях космического пространства состояние адсорбционного слоя на поверхности КА может претерпевать значительные изменения, зависящие от внешних условий, времени полета спутника и т.д. Определенную роль играют также радиационные повреждения поверхности и приповерхностного слоя материалов, из которого происходит выход вторичных электронов.
Классификация данных об отказах в работе аппаратуры исследуемых спутников
Отказы спутников разнообразны по причинам возникновения, а также по их влиянию на работоспособность всех бортовых систем. К потере работоспособности отдельных систем могут привести ошибки при проектировании, некачественная предполетная проверка, износ механических и электрических компонентов систем (последствия износа практически непредсказуемы), некорректные команды или операции вследствие ошибок операторов или наземных систем, а также действия потенциального противника (для систем Министерства Обороны). Выполненные исследования в нашей стране, и особенно за рубежом (США) [78, 79], показали, что негативное воздействие условий обычного космического окружения на компоненты спутников может иметь серьезные последствия, сравнимые по степени опасности и частоте появления с последствиями любого из указанных выше факторов. При этом возникающие командные ошибки, ложные сигналы и ухудшение характеристик датчиков могут приводить к частичному или полному прекращению реализации программы работ ИСЗ.
Орбитальные неисправности ИСЗ могут быть вызваны различными компонентами космического окружения, которые подробно описаны в предыдущей главе диссертации. Во-первых, космическая плазма сообщает заряд элементам спутника, расположенным на его поверхности, и в случае, если поверхностный потенциал превышает значение напряжения пробоя, могут последовать электростатические разряды, выводящие из строя электронное оборудование. Во-вторых, наиболее энергичные составляющие космического излучения могут проникать в диэлектрические компоненты, такие как изоляция кабелей, и накапливаться в ней. Накопление этих зарядов в экстремальных условиях приводит к электростатическим разрядам в диэлектрических компонентах оборудования, что влечет за собой прерывание сигналов и выход из строя отдельных элементов в пораженной системе. Высокоэнергичные частицы радиационных поясов, протоны солнечных вспышек, галактические космические лучи могут вызывать единичные сбои в электронных устройствах. Общая накопленная доза радиации от излучений высокой энергии может приводить к ухудшению характеристик электронных устройств и датчиков. Микрометеориты и орбитальные обломки способны вызвать механические повреждения ИСЗ.
Обычно к идентификации неисправностей российских спутников бывают привлечены только службы, связанные с изготовлением спутника и установленной на нем аппаратуры, а также службы, обеспечивающие программу наблюдений. В США к такому анализу привлекаются еще и специалисты по оценке ситуации в околоземном пространстве, использующие информацию, собираемую центром обработки данных ВВС США (AFGWC), центром изучения космического окружения (SESC) и национальным управлением по исследованию океана и атмосферы (NOAA). Соответственно, в распоряжении специалистов США, проводящих диагностику неисправностей КА, имеется несколько баз данных и некоторое число экспертных оценок: база данных по атрибутам спутника (содержит информацию по компонентам спутника, эфемеридам и т.п.), база данных по неисправностям ИСЗ (содержит ретроспективные записи рассматриваемых неисправностей), база данных по околоземной среды, экспертные оценки фирмы Aerospace и управления NOAA[83]. Но даже при таком информационном обеспечении проведение диагностики неисправностей спутников сопряжено со значительными трудностями. Именно эти трудности долгое время мешали руководителям космических программ в России поверить в серьезность воздействия гелиогеофизических возмущений на работу спутниковых систем. По данным американских исследователей количество неисправностей КА из-за воздействия условий космического окружения, достигает несколько сотен в год. С возрастанием сложности систем и подсистем ИСЗ количество, частота появления и серьезность подобных отказов будут неизбежно расти. И, чтобы бороться с ними, необходима разработка экспертной системы диагностики неисправностей КА, вызванных условиями космического окружения.
Все сбои зарубежных КА американскими исследователями были рассортированы по следующим позициям: PC - фантомная команда; PF - частичная ошибка; ТЕ - ошибка телеметрии; SE - восстановимая ошибка; НЕ - невосстановимая ошибка; SS - выход системы из строя; ESDM - электростатический разряд; UNK - не установленная ошибка.
Все эти сбои имеют следующую диагностику: ЕСЕМР - электромагнитный импульс, вызванный энергичными электронами; ESD - электростатический разряд (взаимодействие КА с космической средой); SEU - сбой, вызванный космическими лучами; МСР - ошибка, связанная с человеком; RFI - ошибка в результате радиочастотной интерференции; UNK -неизвестная причина.
В таблицах 1-3 Приложения содержится информация о всех сбоях в работе указанных зарубежных КА: первая колонка — аббревиатура названия спутника, вторая — дата сбоя (год, месяц, число: например, 19830111 — 1983 год, 01 месяц, 11 число), третья — мировое время момента сбоя (час, минута: например, 1913 — 19 часов 13 минут), четвертая — местное время сбоя, пятая — тип орбиты КА (G — геостационарная; Р — полярная круговая; Е — эллиптическая, I — наклонная), шестая — полушарие, в котором произошел сбой (N — северное, S — южное), седьмая — широта точки сбоя, восьмая — высота точки сбоя, девятая —тип (вид) сбоя. При этом в табл. 1 Приложения собраны сбои, вызванные энергичными электронами; в табл. 2 собраны сбои, вызванные электростатическим разрядом; в табл. 3 — сбои, вызванные космическими лучами. Отсутствующая информация в таблицах обозначается как 9999.
Определение средней наработки до отказа исследуемых К А и анализ ее связи с уровнем солнечной активности
Анализ влияния гелиогеофизической активности на качество и надежность функционирования бортовой аппаратуры исследуемых спутников мы разделили на два этапа. На первом этапе (интервал времени с 1970 по 1988 годы) исследовалось влияние гелиогефизической активности на показатели надежности ИСЗ, когда мы не проводили активного вмешательства обслуживающего персонала в процесс управления с целью снижения уровня воздействия гелиогеофизческих факторов на бортовые системы. На втором этапе (с 1989 года) при управлении спутников данного типа нами применялся комплекс организационно-технических мероприятий, направленных на снижение уровня воздействия факторов космической среды (он описывается в 4 главе работы). Поэтому на втором этапе определялись те же самые показатели надежности, но уже на всем интервале времени работы К А с 1970 по 1997 год с целью сравнительной оценки показателей надежности и анализа эффективности примененявшихся мероприятий. Такое разделение необходимо было сделать, так как сравнивалась временная динамика показателей надежности на фоне изменяющейся гелиогеофизической активности.
Статистическая средняя наработка до отказа исследуемых спутников определялась как отношение суммарного значения времени наработки всех отказавших спутниковк общему числу отказавших спутников на данный момент времени [87]:
Результаты расчетов данных Тср. за весь период эксплуатации исследуемых ИСЗ представлены в Таблице 3.1 (ранжировка по дате прекращения работы со спутником).
Графические зависимости среднемесячных значений W, характеризующих уровень солнечной активности (число Вольфа) и статистической средней наработки исследуемых ИСЗ в течение 1971 - 1988 годов представлены на рис. 3.2.
Учитывая, что выборка отработавших ИСЗ в конце 20 цикла солнечной активности (1972 - 1975 годы) бьша невелика - всего несколько ИСЗ (табл. 3.1), то наблюдаются существенные отклонения среднестатистической наработки в большую или меньшую сторону в зависимости от времени наработки каждого спутника. С увеличением числа ИСЗ в выборке (более 10) наблюдается уменьшение амплитуды колебаний среднестатистической наработки. Это уменьшение отчетливо прослеживается к середине 1978 года, когда число ИСЗ в выборке становится более 12. Но возрастающий уровень геофизической активности (1978 год — это год, соответствующий ветви роста 21 цикла солнечной активности) не позволяет существенно повысить среднестатистическую наработку. Отчетливо видно, что на протяжении всего 21 цикла солнечной активности (Рис.3.2 - интервал с 1978 по 1985 год) среднестатистической наработке не удается подняться выше значения порядка 475 суток. Имеющие место колебания среднестатистической наработки вызваны в том числе выходом из строя ряда ИСЗ в течение 21 цикла солнечной активности до истечения гарантийного срока. Спутник "Космос-1125" отказал 26 октября 1979 года с наработкой 59 суток (гарантийный срок всех исследуемых КА 6 месяцев), "Космос—1269" отказал 24 мая 1981 года с наработкой 17 суток, "Космос—1331" отказал 1 июня 1982 года с наработкой 145 суток, "Космос-1486" отказал 9 августа 1983 года с наработкой 6 суток (табл. 3.1)
С 1984 по 1985 годы произошло прекращение колебаний среднестатистической наработки, показатель устойчиво держится йа уровне около 460 суток, а на интервале 1985 -1987 годы отмечается его существенный рост. Причем следует обратить внимание, что 1985 - 1987 годы - это годы минимума солнечной активности между 21 и 22 циклами солнечной активности. Рост среднестатистической наработки начинается с начала 1985 года и заканчивается в середине 1987 года. За этот интервал времени среднестатистическая наработка выросла с -460 суток до -530 суток. Такого устойчивого роста на протяжении длительного интервала времени за годы функционирования спутников (1970-1988 гг.. 18 лет) не наблюдалось ни разу.
В начале 22 цикла солнечной активности, на ветви его роста, уже в конце 1987 года, отмечается прекращение роста среднестатистической наработки. Наблюдаются устойчивые колебания данного показателя около значения примерно 530 суток, причем колебания аналогичного характера наблюдались на протяжении практически всего 21 цикла солнечной активности (Рис.3.2 — интервал времени 1978-1984 годы). То есть можно сделать вывод, что повышение уровня солнечной активности в 1987-1988 годах вновь отразилось на уровне среднестатистической наработки КА. Это связано тем, что два спутника прекратили работу до истечения гарантийного срока:"Космос-1850" прекратил работать 6 ноября 1987 года с наработкой 150 суток, "Космос-1898" — 8 февраля 1988 года с наработкой 69 суток. При этом с середины 1984 года и до середины 1987 года (минимум солнечной активности) не было ни одного КА с наработкой менее 335 суток (Таблица 3.1).
Поток отказов КА определялся путем вычисления отношения числа отказов, зафиксированных на данном временном интервале к длительности временного интервала и числу спутников, функционировавших в данное время на орбите. Фактически данный показатель надежности определяет число отказов в сутки на один КА. Из теории надежности известно, что поток отказов равен интенсивности отказов, если потоки отказов являются простейшими. где m — число отказов за данный интервал времени; N - количество КА, функционировавших в данное время; t - интервал времени, за который определяется поток отказов.
По данной методике был определен потока отказов за каждый год в отдельности, начиная с 1971 и по 1988 годы. Анализировались все отказы, кроме тех, которые произошли по причине конструктивных ошибок, ошибок обслуживающего персонала, некачественной подготовки ИСЗ при подготовке к запуску, некачественной работы наземных средств и т.п. Не взяты в обработку также зависимые отказы, возникшие по причине других отказов. То есть обработаны только те отказы, причиной которых действительно могла являться гелиогеофизическая возмущенность.
Зависимость потока отказов от уровня солнечной активности (параметр F10,7) с 1970 по 1988 годы представлена на Рис. 3.3. На данном рисунке сплошной линией (Ряд 1) показаны значения потока отказов для каждого года, а также аппроксимация этой зависимости полиномом пятой степени. Аналитическое выражение аппроксимирующей зависимости потока отказов для данного интервала времени выглядит следующим образом (величина достоверности аппроксимации составляет 0,6 )
Организационный активный способ снижения уровня электростатического заряда
Существуют два способа создания условий для нормальной работы бортовой аппаратуры КА в условиях возникновения его электризации. Первый заключается в создании на спутнике и около него условий, которые не позволяют возникать дифференциальному заряду или заряду вообще на внешних элементах КА. Второй способ состоит в применении на КА такой защиты, которая позволила бы нормально функционировать бортовой аппаратуре КА даже при наличии разрядов.
Реализации первого способа может осуществляется посредством установки на КА устройств нейтрализации электростатического заряда, а также в применении электростатической или электромагнитной защиты — это активные способы защиты [71, 72, 73, 74]. К пассивным способам защиты относятся использование электростатических разрядников, металлизация всех элементов конструкции, установка проводящих экранов на бортовую аппаратуру и кабельную сеть. К их основным достоинствам можно отнести высокую надежность и неограниченный срок действия, а также то, что они не требуют ни управления, ни энергопотребления.
Электростатические разрядники применяются для съема заряда путём создания разряда между электродами, имеющими вид острых игл. Обычно такие устройства применяются в местах, где возможно свободное протекание заряда. На современных КА за счет покрытия почти всей поверхности диэлектрическими материалами такие разрядники неэффективны, так как проводимость диэлектриков мала и накопленный заряд не будет эффективно сниматься с заряженной поверхности. Неообходимо также отметить, что использование разрядников приводит к инициированию разряда, то есть к такому явлению, которое необходимо нейтрализовать. Смысл использования токопроводящих покрытий заключается в выравнивании потенциалов всех внешних элементов КА. В этом случае даже наличие высокого потенциала КА относительно окружающей плазмы не приведет к возникновению электрических разрядов на внешней поверхности КА. Метод является весьма перспективным, однако он требует сохранения стабильными характеристик покрытия в течение всего времени активного функционирования КА на орбите, что реально недостижимо. В процессе воздействия внешних факторов происходит изменение физико-химических свойств покрытия, что в конечном итоге приводит к деградации покрытия. Особенно интенсивно процесс деградации происходит в периоды высокой солнечной активности. В результате изменения свойств и характеристик покрытий положительный эффект от использования данного метода постепенно снижается и даже более того само покрытие способствует возникновению разрядных процессов. Кроме того, проводящие покрытия не обеспечивают выравнивание объемных зарядов внутри диэлектрика. Перечисленные факты не позволяют в настоящее время широко применять проводящие покрытия на КА, однако использование их на отдельных элементах конструкции КА, таких например, как солнечные батареи, дает положительный эффект.
Особенности применения и характеристики ряда диэлектрических покрытий описаны, например, в [75, 76, 77].
Нижеописываемый комплекс мероприятий, разработанный нами с целью снижения потока отказов на низкоорбитальных КА, можно считать относящимся к активным способам защиты КА от электростатического заряда. Этот комплекс мероприятий был разработан на основе использования теоретических и лабораторных исследований по степени электризации кварцевого стекла К-208 [8]. В процессе проведенных исследований было установлено, что понижение температуры резко увеличивает степень электризации. На основании этого можно сделать вывод, что повышение температуры кварцевого стекла будет приводить к понижению степени электризации. Аналогичные аргументы в пользу данного вывода можно привести и на основе результатов проведенных исследований взаимосвязи уровня объемного заряда с температурой [9]. Было показано, что при понижении температуры возрастает стационарное значение плотности объемного заряда. С понижением температуры возрастает также эффективность накопления объемного заряда. Это связано с увеличением эффективной энергии рождения пары носителей. Радиационная проводимость диэлектрика при этом уменьшается, что препятствует стеканию объемного заряда на металлизированные поверхности.
Таким образом, в предположении, что повышение температуры внешней поверхности КА и всех элементов конструкции, на поверхности которых и внутри которых может образоваться заряд, приведет к снижению уровня электризации, нами был разработан комплекс мероприятий, позволяющий осуществить процесс уменьшения степени заряженности КА.
Мероприятия по повышению температуры поверхности КА проводились в периоды повышенной солнечной активности, когда вероятность образования электростатического заряда поверхности КА была велика. В процессе эксплуатации исследуемых низкоорбитальных КА было также установлено, что электростатический заряд на поверхности КА образуется, в основном, на орбитах с теневыми участками. Причем существенная зарядка происходила при превышении длительности теневого участка порядка 30 минут (период обращения КА примерно 101 минута). Это составляет более 30 процентов от длительности периода обращения КА. Также можно предположить, что дополнительной причиной в пользу повышенной степени заряженности КА было такое расположение КА по отношению к Солнцу, когда практически более половины времени периода обращения солнечные лучи имели угол наклона к поверхности КА не более градусов. А на отдельных участках орбиты, которые имели длительность не менее 25 процентов от времени периода, угол наклона солнечных лучей составлял не более 10 градусов. Данное обстоятельство также приводило к интенсивному образования заряда.
Мы создавали дополнительный подогрев КА в эти промежутки времени, который происходил за счет включения обогревателя системы терморегулирования (СТР) КА. Двадцатипятиваттный нагреватель, расположенный в теплообменнике СТР включался в непрерывный режим работы при достижении 30 процентных теневых участков орбиты. При этом внутри термоконтейнера КА температура газовой среды постепенно (примерно в течение 2-5 витков) повышалась с 8 - 10 градусов до 20 - 25 градусов Цельсия. Повышенная температура после прогрева всего КА стабилизировалась, что свидетельствовало о том, что избыточное тепло жидкостным контуром СТР вьшосилось на внешнюю поверхность КА. Такая температура (около 20 - 25 градусов Цельсия) сохранялась внутри термоконтейнера КА в течение всего промежутка времени, когда КА находился на орбите с теневыми участками длительностью более 30 минут. Следовательно, с внешней поверхности КА за каждую секунду излучалось порядка 25 джоулей тепловой энергии. Посредством теплообмена эта энергия передавалась электронам, находившимся на внешней поверхности КА. Электроны, приобретая дополнительную энергию, имели возможность покинуть внешнюю поверхность КА, что не позволяло накапливаться критическому заряду необходимому для разряда.
Похожие диссертации на Анализ связи отказов в работе бортовой аппаратуры однотипных спутников серии "Космос" с гелиогеофизической активностью
