Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1573-1576

Результирующая электромагнитная обстановка на борту космических аппаратов создается помехоэмиссией бортовых приборов и устройств и резонансными явлениями, возникающими в пределах корпусов приборов и приборных модулей [1–5]. Применение электромагнитных экранов для приборов и устройств с целью улучшения электромагнитной обстановки на борту космических аппаратов не всегда обеспечивает эффективное уменьшение помехоэмиссии и ослабление внутренних резонансных явлений так как экраны, выполняемые в виде электропроводных корпусов, имеют неоднородности в виде апертур различной формы [6]. В случаях, когда возможности электромагнитных экранов ограничены уменьшение уровней помехоэмиссии и ослабление резонансных явлений можно осуществлять путем размещения элементов радиопоглощающих материалов (РПМ) во внутреннем пространстве корпусов приборов и приборных модулей [7, 8]. Частотный диапазон, в пределах которого происходит уменьшение помехоэмиссии и ослабление резонансных явлений, определяется электрофизическими свойствами радиопоглощающих материалов. Помимо диапазона частот и величины коэффициента отражения, при применении радиопоглощающих материалов для бортовых приборов и устройств космических аппаратов, большое значение имеет температурный диапазон [9, 10]. На космических аппаратах может эффективно применяться термостойкий радиопоглощающий материал, сохраняющий свои свойства при изменении температур в диапазоне от –150 до +150°С. Такой термостойкий радиопоглощающий материал, состоящий из негорючих плит переменной толщины, выполненных из минеральных волокон со слоями проводящего наполнителя из вибромолотого графита специально разработан для использования в диапазоне экстремальных температур.

Исследования возможностей применения термостойкого РПМ при экстремальных температурах заключались в определении частотных диаграмм коэффициента отражения при высоких температурах нагревания и низких температурах охлаждения образцов данного материала. При проведении исследований коэффициент отражения определялся по формуле [6]:

где E_отр – напряженность отраженного электрического поля; E_пад – напряженность падающего электрического поля.

Коэффициент отражения у радиопоглощающих материалов имеет отрицательные значения и чем меньшие значения принимает коэффициент отражения, тем меньше напряженность электрического поля отраженной волны и тем лучше поглощающие свойства РПМ.

Исследование частотных свойств коэффициента отражения, в соответствии с формулой (1), выполнялись на установке, которая создает нормальное падение волны электромагнитного поля на образец термостойкого РПМ, размерами 300 × × 200 × 30 мм, размещенный на плоской металлической пластине, которая устанавливалась на электротермическом устройстве.

Для создания падающей волны электромагнитного поля и измерения напряженности электрического поля отраженной волны в частотном диапазоне 1–37 ГГц использовались: векторный анализатор цепей Anritsu MS4644A; антенны П6-23М и П6-69. Схема установки для исследования частотных свойств коэффициента отражения при нормальной и экстремальных температурах приведена на рис. 1. Частотные диаграммы коэффициента отражения образца термостойкого РПМ при температурах +25 и +150°С в частотном диапазоне 1–37 ГГц приведены на рис. 2. Как следует из анализа частотной диаграммы 2 коэффициент отражения радиопоглощающего материала при температуре +150°С отличается на данном частотном диапазоне от коэффициента отражения при температуре +25°С в (частотная диаграмма 1) сторону увеличения значений не более чем на 2–4 дБ. На частотах 11–13 ГГц коэффициент отражения при температуре +150°С имеет значительно меньшие значения чем при температуре +25°С. Минимальное значение коэффициента отражения достигается на частоте 12.7 ГГц равно – 27.2 дБ.

Исследования коэффициента отражения термостойкого РПМ при температуре –196°С проводились на данной установке путем замены электротермического устройства кюветой, заполненной жидким азотом с погруженным в жидкий азот образцом РПМ, которая устанавливалась на металлической пластине. Полученная частотная диаграмма 3 коэффициента отражения (рис. 2) на значительной части частотного диапазона имеет более отрицательные значения по сравнению с значениями коэффициента отражения образца РПМ при температуре +25°С. В частотном диапазоне 10–37 ГГц коэффициент отражения имеет резко выраженный резонансный характер. На частотах более 34 ГГц значения коэффициента отражения образца РПМ при низкой температуре –196°С превышают значения коэффициента отражения при температуре +25°С.

Для исследования возможностей ослабления резонансных явлений во внутреннем пространстве корпусов бортовых приборов под воздействием электромагнитного поля от внешних источников был использован макет корпуса прибора прямоугольной формы. Макет выполнен в форме полого электропроводного корпуса с размерами 300 × 300 × 400 мм и размещен в рабочей зоне гигагерцовой камеры плоской волны (GТЕМ-камера). Одна из поверхностей макета была открыта для проникновения электромагнитного поля и направлена в сторону центрального электрода камеры. Внешнее электромагнитное поле, создавалось центральным электродом камеры. Во внутреннем пространстве макета был установлен измеритель напряженности электрического поля NARDA PMM EP-602. Измерение электрического поля внутри макета корпуса бортового прибора в диапазоне 100 кГц–5 ГГц проводилось, соответственно, при наличии и отсутствии во внутреннем объеме макета радиопоглощающего материала. Частотные диаграммы напряженности электрического поля во внутреннем объеме макета корпуса бортового прибора приведены на рис. 3 Анализ, полученных экспериментальным путем, частотных диаграмм позволяет сделать заключение о том, что применение РПМ позволяет значительно снизить напряженность электрического поля во внутреннем объеме макета корпуса бортового прибора на резонансных частотах от 1.8 до 3.6 раз [12].

При исследовании свойств термостойкого РПМ, позволяющих уменьшать помехоэмиссию, проводилось измерение напряженности электрического поля во внешнем пространстве макета приборного модуля с установленным в его внутреннем пространстве имитатором бортового прибора. В качестве имитатора бортового прибора, являющегося источником электромагнитного поля, был использован электропроводный корпус кубической формы с размером ребра 100 мм, который устанавливался на диэлектрической прокладке внутри макета приборного модуля. Макет приборного модуля был выполнен из электропроводного материала с размерами 250 × 250 × 300 мм. Имитатор бортового прибора подключался к генератору высокочастотных сигналов. Макет приборного модуля, с установленным в нем имитатором бортового прибора, размещалась рабочей области ТЕМ-камеры. Для получения частотных диаграмм помехоэмиссии электромагнитного поля в диапазоне 100 кГц–3 ГГц генератор высокочастотных сигналов, синхронизировался с измерительным приемником, подключенным к электрическому соединителю ТЕМ камеры. Открытая сторона макета приборного модуля закрывалась электропроводной пластиной с 9 апертурами в виде круглых отверстий диаметром 5 мм, имитирующих технологические отверстия в корпусе. В процессе эксперимента с помощью ТЕМ-камеры проводились измерения уровней напряженности электрической составляющей помехоэмиссионного электромагнитного поля, распространяющегося из внутреннего пространства макета приборного модуля через отверстия в электропроводной пластине, соответственно, при наличии и при отсутствии образцов термостойкого РПМ размещенных во внутреннем пространстве макета. Из анализа полученных экспериментальных частотных диаграмм следует, что размещение образцов термостойкого РПМ во внутреннем объеме макета приборного модуля приводит на ряде частот к уменьшению напряженности электрического поля до 39 дБ [11].

С целью определения стойкости к механическим воздейстиям радиопоглощающий материал ТПМВ-1С испытывался на вибрационном стенде с перегрузкой 8g в течение 40 мин. Данное воздействие имитирует взлет ракетоносителя и вывод космического аппарата на орбиту. Анализ частотных диаграмм после вибрационных испытаний позволяет сделать вывод о том, что механические воздействия в виде вибрации незначительно влияют на значения коэффициента отражения на большей части частотного диапазона. Значения коэффициента отражения не более чем на 2 дБ превышают значения, полученные до начала механических воздействий.

Проведенные исследования радиопоглощающего материала позволяют сделать заключение о том, что данный термостойкий радиопоглощающий материал может применяться для уменьшения помехоэмиссии и ослабления резонансных явлений в условиях экстремальных температур космического пространства. Применение термостойкого РПМ может в совокупности с другими способами являться действенным способом улучшения электромагнитной обстановки на борту космических аппаратов.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проект № 19-38-90244).