Разработка алгоритма построения адекватной картины растекания токов по поверхности космического аппарата

  Востриков А.В., к.т.н., старший преподаватель НИУ ВШЭ, avostrikov@hse.ru

  Маякова О.Ю., студент 5-го курса НИУ ВШЭ

  Алейников А.В., студент 5-го курса НИУ ВШЭ

Разработка алгоритма построения
адекватной картины растекания токов по поверхности космического аппарата

В работе предложен алгоритм построения адекватной картины растекания токов по поверхности космического аппарата. Последовательность действий основана на преобразовании выходного файла программы LTSpice IV. Алгоритм был реализован и проверен на структурной электрофизической модели в виде плоскости. Исследование осуществлено в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ в 2015 году

Введение

Изучение космического пространства и развитие космических технологий на сегодняшний день являются одними из самых важных задач человечества. Исследования в области вредоносных воздействий факторов космической среды и их последствий, оказываемых на космические аппараты, занимают определяющее место.

Одним из самых распространенных явлений можно назвать электризацию в среде космической плазмы. Из-за пагубного воздействия данного явления на бортовую электронику космического аппарата (КА) изучению этого эффекта посвящены работы многих ученых по всему миру. Около 24% отказов космических аппаратов происходит именно по причине электризации [1].

Попадая на околоземную орбиту, КА оказывается в среде плазмы, то есть под воздействием заряженных частиц. В связи с этим разные участки его поверхности начинают заряжаться до разных величин потенциалов, что, в свою очередь, создает разность потенциалов. Далее возникают электростатические разряды (ЭСР), следствием которых будут растекание токов по поверхности КА и генерация электромагнитных помех в БКС, что может привести к сбоям или отказам электронной аппаратуры КА.

Главной целью, поставленной перед разработчиками программ по моделированию данных процессов, является предложение рекомендаций по защите бортовой кабельной сети (БКС), проложенной по внешней поверхности КА. Увеличение срока работы КА приводит к экономии выделяемых средств и соответственно улучшению развития космической индустрии.

Для расчетов величин наводок в БКС КА в Московском институте электроники и математики были разработаны структурная электрофизическая модель (СЭМ) КА и программное обеспечение (ПО) Satellite-MIEM для ее реализации. СЭМ КА представляет собой эквивалентную электрическую схему (ЭЭС) КА, построенную в виде сетки дискретизации из узлов и ветвей и включающую в себя R, L, C-элементы [2, 3]. ПО Satellite-MIEM использует данные, полученные из программы, разработанной в НИИЯФ МГУ, – рассчитанные вероятности распределения потенциалов поверхности космического аппарата при электризации в среде космической плазмы. Зная места с наибольшей разностью потенциалов, можно определить места, где наиболее вероятен электростатический разряд.

Для расчетов нам необходимо построить эскизный проект 3D-модели КА в программе графического моделирования. После загрузки модели в интерфейс программы Satellite-MIEM необходимо выбрать точку на ее поверхности и обозначить место разряда. В электрофизической модели к данной точке подключается источник тока или напряжения по выбору пользователя. При указании точки разряда, его заданной величины, подключении расчетного ядра нужно установить параметры расчета и номиналы R, L, C-элементов в зависимости от материала поверхности КА. На рис. 1 показаны 3D модель КА, разделение КА на сегменты и преобразование в структурную электрофизическую модель.

Рисунок 1. Преобразование поверхности КА в СЭМ

Далее формируется текстовый файл, предоставляющий все физические данные о модели математическому ядру (LTSpice IV), с которым взаимодействует Satellite-MIEM [4]. После завершения работы программы LTSpice IV выходной файл расчетного модуля возвращается в Satellite-MIEM и происходит окрашивание модели в соответствии с посчитанными значениями токов в ветвях ЭЭС. По диапазону рассчитанных токов формируется палитра, и каждому значению тока присваивается определенный цвет. Зная уровень, критичный для стабильной работы бортовой аппаратуры, можно сделать вывод о необходимости экранирования кабеля или его удаления от возможного места разряда.

Проблема при построении картины растекания токов по поверхности рассматриваемой модели возникает из-за того, что используемое математическое ядро LTSpice IV не учитывает физические размеры рассматриваемого объекта, а лишь рассчитывает эквивалентную электрическую схему. Другими словами, благодаря привязанности сетки, полученной в результате дискретизации 3D модели объекта, к построению электрической схемы при изменении количества сегментов на поверхности модели изменяется и растекание токов. Часто требуется акцентировать внимание на определенном участке поверхности КА, что влечет за собой построение сетки с мелким шагом дискретизации. В этом случае картина растекания токов на определенном фрагменте не будет соответствовать действительности. В программе Satellite-MIEM построены плоскости из одного материала, разделенные на разное количество ячеек (см. рис. 2а и рис. 2б).

Как видно из рис. 2, на плоскостях одинакового размера получаются разные картины растекания токов, то есть при масштабировании картина искажается, что неприемлемо. Опытным путем была установлена истинная картина растекания токов на плоскости, соответствующая рис. 2а. Таким образом, актуальной становится задача разработки и реализации алгоритма, позволяющего построить адекватную картину растекания токов. Идея последовательности действий состоит в пересчете выходных данных (токи в ветвях или потенциалы в узлах) программы расчета электрических схем для получения истинной картины растекания токов по ЭЭС КА.

Рисунок 2а. Пример плоскости, состоящей из 64 сегментов; Рисунок 2б. Пример плоскости, состоящей из 196 сегментов

Разработка и реализация алгоритма

Для реализации решения данной проблемы был разработан следующий алгоритм:

Шаг 1. Проверка длины ветви ЭЭС.

Шаг 2. Фиксация величины узла, в котором установлен разряд.

Шаг 3. Открытие выходного файла LTSpice IV для чтения.

Шаг 4. Начало разбора с левого верхнего квадрата ЭЭС (остальные три будут рассматриваться аналогичным образом с учетом изменения направления порядка прохождения по узлам). Сначала рассматриваются горизонтали сетки, затем вертикали для чего будет использоваться перебор всех ветвей в цикле с двухмерным массивом.

Шаг 5. Фиксация значений обоих узлов начальной ветви.

Шаг 6. В цикле по всем строкам при нахождении установленной на шаге 5 ветви выделение части строки с величиной тока и фиксация в переменную.

Шаг 7. Исходя из величин узла текущей разбираемой строки из шага 5 вычисление значения центрального узла, относительно которого будет меняться картина растекания на данном шаге.

Шаг 8. Поиск всех ветвей в новом цикле по строкам, содержащим центральный узел, вычисленный на шаге 7, и изменение части строки с величиной тока на фиксированную на шаге 6 величину.

Шаг 9. Повторение шагов 5-8 для всех ветвей и по горизонтали и по вертикали, после чего рассмотрение оставшихся квадратов.

Шаг 10. Запись результатов в новый выходной файл.

Алгоритм был реализован в среде С++ Builder и проверен на структурной электрофизической модели в виде плоскости из 64 и 196 сегментов.

На рис. 3 видно, что после применения разработанного алгоритма масштабы растекания тока по поверхности не изменились. А разбиение поверхности на сегменты с малым шагом позволяет в дальнейшем произвести расчет величин электромагнитных помех в БКС КА с большей точностью.

Рисунок 3. Пример работы разработанного алгоритма на плоскости

Заключение

В результате проведенной работы удалось добиться построения адекватной картины растекания токов по поверхности СЭМ. В дальнейшем это поможет значительно улучшить качество моделирования процесса электризации и даст возможность производить проектирование маршрута и экранирования БКС КА с большей точностью. 

1. Белик Г.А., Абрамешин А.Е., Саенко В.С. Внутренняя электризация бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов. // «Технологии электромагнитной совместимости», № 3, 2012 г. – С. 5-16.
2. Новиков Л.С., Бабкин Г.В., Морозов Е.П., Колосов С.А., Крупников К.К., Милеев В.Н., Саенко В.С. Комплексная методология определения параметров электростатической зарядки, электрических полей и пробоев на космических аппаратах в условиях радиационной электризации. Руководство для конструкторов. – ЦНИИмаш, 1995. – 160 с.
3. Garrett H.B. The Charging of Spacecraft Surfaces / Review of Geophysics and Space Physics. 1981. V. 19. №4. P. 577-616.
4. Востриков А.В., Абрамешин А.Е. Тестирование коммерческого программного обеспечения для моделирования и анализа эквивалентных электрических схем космических аппаратов. // «Технологии электромагнитной совместимости», 2012. №1, 2012 г. – С. 25-28.

Ключевые слова: электризация, структурная электрофизическая модель, алгоритм.

Development of an algorithm for constructing an adequate picture of the spreading of the currents on the spacecraft surface

Vostrikov A. V., Mayakova O. Y., Aleinikov V. A.

National Research University Higher School of Economics (NRU HSE)

Summary. In this paper we propose an algorithm for constructing an adequate picture of the spreading of the currents on the spacecraft surface. The sequence of actions based on the transformation of the output file of the program LTSpice IV. The algorithm was implemented and tested at the structural and electrophysical models in the form of a plane. The study was implemented in the framework of the Basic Research Program at the National Research University Higher School of Economics (HSE) in 2015.

Keywords: electrification, structural, electrophysical model, algorithm.

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи