Космические исследования, 2020, T. 58, № 5, стр. 412-418

Радиопоглощающие материалы для космических аппаратов

В. Ю. Кириллов 1*, П. А. Жуков 2, С. Ю. Журавлев 3, М. М. Томилин 1

1 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
г. Москва, Россия

2 Московское опытно-конструкторское бюро “Марс”
г. Москва, Россия

3 Научно-производственное предприятие “Радиострим”
г. Москва, Россия

* E-mail: kaf309@mai.ru

Поступила в редакцию 29.05.2019
После доработки 22.01.2020
Принята к публикации 05.03.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

В статье представлены результаты экспериментальных исследований свойств, стойких к аномальным высоким и аномально низким температурам образцов радиопоглощающего материала ВТМВ-1С.

На основании проведенных исследований сделано заключение о том, что радиопоглощающий материал, может использоваться для ослабления отраженных волн электромагнитных полей от различных частей конструкции космических аппаратов, уменьшения уровней резонансных явлений электромагнитного поля в модулях и корпусах бортовых приборов и устройств космических аппаратов.

Бортовые приборы и устройства космических аппаратов (КА) в процессе эксплуатации могут создавать излучаемые электромагнитные помехи (ЭМП) в виде электромагнитных полей с различной частотой и напряженностью [14]. На космических аппаратах, подверженных интенсивной электризации, излучаемые импульсные ЭМП могут создаваться также и электростатическими разрядами [5]. Электромагнитная обстановка на борту КА образуется в результате излучаемой помехоэмиссии и отражения излучаемых ЭМП от корпусов бортовых приборов и элементов конструкции КА. Отражения излучаемых ЭМП создают во внутреннем пространстве конструкции КА и в наружной окрестности электромагнитную обстановку (ЭМО) в виде неравномерно распределенного электромагнитного поля с локальными областями высокой напряженности. Возникновение областей с высокой напряженностью приводит к появлению в бортовой кабельной сети наведенных кондуктивных ЭМП, из-за которых может снижаться качество функционирования бортовых приборов и устройств КА [6]. Уменьшение уровней излучаемых ЭМП на борту КА можно обеспечить путем применения различных типов радиоэкранирующих материалов, например, гибких металлизированных материалов [7, 8]. В дополнение к радиоэкранирующим материалам (РЭМ) применение радиопоглощающих материалов (РПМ) на борту КА позволяет изменить электромагнитную обстановку уменьшением уровней напряженности электрического поля излучаемых ЭМП.

Радиопоглощающие материалы широко применяются в технике сверхвысоких частот для оборудования безэховых камер или используются для покрытий электронных технических средств [9]. Эффект от применения РПМ на борту КА заключается в уменьшении уровней отраженных излучаемых ЭМП в виде высокочастотных электромагнитных полей при размещении и закреплении элементов РПМ на корпусах модулей, бортовых приборов и элементах конструкции КА. Это позволяет уменьшить уровни результирующих электромагнитных помех, создаваемых наложением эмиссионных электромагнитных помех и электромагнитных помех, отраженных от элементов конструкции КА и корпусов бортовых приборов и устройств.

Отражение от элементов конструкции и корпусов приборов ЭМП в виде высокочастотных электромагнитных полей также может привести к ухудшению качества функционирования бортовых приемо-передающих устройств из-за их воздействия на антенны в нерабочей области углов. Покрытие внешних, подстилающих антенну, поверхностей конструкции и отдельных элементов конструкции КА РПМ может значительно уменьшить уровни напряженности отраженного электромагнитного поля, которое приводит к ухудшению качества работы приемопередающих антенн КА.

На борту, в пределах конструкции КА располагаются бортовые модули, приборы и устройства, имеющие полузакрытые или закрытые корпуса с апертурами в виде отверстий, щелей, швов и пр. Проникновение внешних электромагнитных полей через апертуры может вызывать резонансные явления во внутреннем пространстве, что, в свою очередь, может привести к появлению резонансных кондуктивных ЭМП в виде наведенных напряжений и токов в электрических цепях бортовых приборов и устройств КА. Размещение во внутреннем пространстве модулей и корпусов приборов элементов РПМ позволяет ослабить резонансные явления [10]. Особенно актуально применение РПМ в случае, если на борту КА устанавливаются мощные излучатели высокочастотных электромагнитных полей.

Диапазон, в пределах которого происходит ослабление электромагнитных полей, определяется электрофизическими свойствами радиопоглощающих материалов и условиями их применения. Помимо диапазона электромагнитного поля и величины коэффициента отражения, при применении радиопоглощающих материалов на космических аппаратах большое значение имеет температурный диапазон. На космических аппаратах открытого типа могут применяться только те радиопоглощающие материалы, которые сохраняют свои свойства в широком температурном диапазоне и при резком перепаде температур.

Таким радиопоглощающим материалом является изготовленный на предприятии НПП “Радиострим” материал ВТМВ-1С. Данный РПМ специально разрабатывался применительно для условий эксплуатации в космическом пространстве. РПМ выполнен из стойких к сверхнизким и сверхвысоким температурам минеральных волокон с покрытиями из активированных углеродных частиц. Проведенные исследования данного РПМ подтверждают его высокие термостойкость, теплостойкость и электрическую проводимость. В результате исследований было установлено, что после многократных циклов экстремальных термических испытаний изменения характеристик минимальны и РПМ пригоден для применения. На это указывает сохранение целостности углеродного покрытия и функциональных свойств материала. Материал не изменяет своих свойств при выдерживании его длительное время при высоких температурах и не изменяет своих электрофизических свойств после погружения и выдерживания его в жидком азоте [11].

Чем шире диапазон электромагнитного поля и чем больше ослабление отраженных волн электромагнитного поля, тем более значительными возможностями обладают радиопоглощающее материалы, предназначенные для уменьшения уровней электромагнитных полей и решения задач электромагнитной совместимости на борту КА.

Радиопоглощающий материал ВТМВ-1С, обладает экранирующими свойствами и, следовательно, может использоваться не только для уменьшения уровней отраженных электромагнитных полей, но и для защиты от проникновения и распространения электромагнитных полей во внутреннем пространстве модулей, корпусов бортовых приборов и устройств КА.

Уровни ослабления отраженных и проникающих волн электромагнитного поля при исследовании свойств РПМ ВТМВ-1С определялись с помощью коэффициентов отражения и прохождения [12]

$\begin{gathered} {{K}_{{{\text{отр}}}}} = {{{\text{20Lg}}{{E}_{{{\text{отр}}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{20Lg}}{{E}_{{{\text{отр}}}}}} {{{E}_{{{\text{пад}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{E}_{{{\text{пад}}}}}}}\,\,\,\,\left[ {{\text{дБ}}} \right], \\ {{K}_{{{\text{пр}}}}} = {{{\text{20Lg}}{{E}_{{{\text{пр}}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{20Lg}}{{E}_{{{\text{пр}}}}}} {{{E}_{{{\text{пад}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{E}_{{{\text{пад}}}}}}}\,\,\,\,\left[ {{\text{дБ}}} \right], \\ \end{gathered} $
где Eотр – напряженность электрического поля отраженной волны; Eпад – напряженность электрического поля падающей волны. Eпр – напряженность электрического поля прошедшей волны.

Особенность РПМ ВТМВ-1С, с указанным температурным режимом, заключается в том, что на одной из сторон материала используемого при изготовлении РПМ образуется отражающий слой из наполнителя, поэтому определение коэффициента отражения исследуемых образцов проводилось без снятия отражающего слоя и с расположением отражающего слоя с обратной стороны образца по отношению к падающей электромагнитной волне.

При исследовании поглощающих и экранирующих свойств РПМ ВТМВ-1С определение коэффициентов отражения и прохождения проводилось при нормальном падении волны электромагнитного поля на образец радиопоглощающего материала, расположенного на поверхности подложки. Схема установки для определения коэффициента отражения образцов РПМ ВТМВ-1С, приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Схема установки для исследования коэффициента отражения РПМ.

Определение коэффициента отражения проводились в диапазоне частот 1–37 ГГц при использовании в качестве подложки металлической пластины. Металлическая пластина выполняла роль имитатора элемента конструкции КА. Перед проведением исследований образец РПМ с габаритами 300 × 200 × 30 мм подвергался температурному воздействию. Образец нагревался до температуры +380°С и после выдерживания при данной температуре в течение четырех часов погружался в жидкий азот. При этом он подвергался воздействию резкого изменения температуры.

Диаграмма зависимости коэффициента отражения от частоты, построенная на основе результатов измерений, для образца радиопоглощающего материала при использовании в качестве подложки металлической пластины размерами 300 × 200 × 1 мм, приведена на рис. 2. Значения коэффициента отражения неравномерно изменяются от –4.5 дБ на частоте 1 ГГц до – 26.4 дБ на частоте 27.1 ГГц.

Рис. 2.

Частотная диаграмма коэффициента отражения, для образца радиопоглощающего материала при использовании в качестве подложки металлической пластины.

В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что о значения коэффициента прохождения на частоте 6.8 ГГц составляют: до температурных воздействий –15.5 дБ; после нагревания до +380°С –16.2 дБ; после выдерживания в жидком азоте –13.7 дБ. Среднее значение коэффициента прохождения –15.1 дБ.

Для определения значений коэффициента отражения волны электромагнитного поля, от элемента конструкции КА в виде металлического цилиндра длиной 200 мм и диаметром 40 мм, закрытого образцом радиопоглощающего материала ВТМВ-1С, в испытательной установке вместо подложки в виде металлической пластины применялась эталонная нагрузка.

Материал, который используется в качестве эталонной нагрузки обладает радиопоглощающими свойствами, позволяющими при исследованиях приближенно имитировать свободное пространство. На рис. 3 приведена частотная диаграмма коэффициента отражения материала, используемого в качестве эталонной нагрузки. Размещение испытуемого элемента конструкции КА с использованием эталонной нагрузки, приближенно имитирующей свободное пространство, позволяет определить коэффициент отражения электромагнитных волн, создаваемых бортовыми приборами и устройствами КА, от внешних элементов конструкции КА.

Рис. 3.

Частотная диаграмма коэффициента отражения радиопоглощающего материала эталонной нагрузки.

Частотные диаграммы коэффициента отражения открытого элемента конструкции в виде металлического цилиндра и такого же элемента, закрытого образцом РПМ, приведены на рис. 4.

Рис. 4.

Частотные диаграммы коэффициента отражения открытого элемента конструкции в виде металлического цилиндра и этого же элемента, закрытого РПМ.

Из приведенных диаграмм следует, что покрытие цилиндрического элемента конструкции РПМ позволяет уменьшить коэффициент отражения по сравнению с коэффициентом отражения элемента конструкции КА не закрытого РПМ. На частоте 1 ГГц коэффициенты отражения в обоих случаях приближенно равны. С возрастанием частоты коэффициент отражения образца закрытого РПМ уменьшается. Разность частотных диаграмм коэффициентов отражения неравномерно изменяется на всем частотном диапазоне от нуля на частоте 1 ГГц до максимального значения 17.4 дБ на частоте 24.4 ГГц.

Для исследования возможностей уменьшения уровня электромагнитного поля и ослабления резонансных явлений электромагнитного поля с помощью РПМ ВТМВ-1С на борту КА в пределах частотного диапазона 0.1–6000 МГц использовался имитатор модуля КА в виде конструкции кубической формы с длиной ребра 400 мм, выполненной из электропроводного материала. Имитатор модуля КА размещался в GTEM камере типа “Frankonia”. Для исследования резонансных явлений и измерения напряженности электрического поля, во внутреннем пространстве имитатора модуля, в центре имитатора модуля размещался датчик электрического поля EP603.

На рис. 5 приведены частотные диаграммы напряженности электрического поля в GTEM камере и во внутреннем пространстве имитатора модуля КА. Как следует из частотной диаграммы напряженности электрического поля, в имитаторе модуля КА на отдельных частотах имеют место резонансные явления электрического поля, с большими значениями напряженности, которые превышают значения напряженности электрического поля в GTEM-камере. Резонанс электрического поля имеет место на ряде частот, например, на частотах: 483.4 МГц–116.5 В/м; 560.4 МГц–114.5 В/м и 1208 МГц–62.2 В/м и т.д.

Рис. 5.

Частотные диаграммы напряженности электрического поля: 1 – напряженность электрического поля во внутреннем пространстве имитатора модуля КА, внесенного в GTEM камеру; 2 – напряженность электрического поля в GTEM камере без имитатора модуля КА.

Уменьшение напряженности электрического поля во внутреннем пространстве модулей или корпусах приборов достигается, как правило, уменьшением площади апертур, применением электропроводных уплотнителей, гибких металлизированных материалов и т.п. [10]. Альтернативным способом уменьшения уровней напряженности во внутреннем пространстве модуля КА или корпусов бортовых приборов и устройств является применение радиопоглощающих материалов.

Для исследования возможностей уменьшения напряженности электрического поля во внутреннем пространстве имитатора модуля КА и уменьшения уровней резонансных явлений, к внутренним боковым стенкам имитатора модуля были прикреплены три образца РПМ ВТМВ-1С с размерами 300 × 200 × 30 мм. На рис. 6 приведена частотная диаграмма напряженности электрического поля во внутреннем пространстве имитатора модуля КА с размещенными в имитаторе модуля образцами РПМ.

Рис. 6.

Частотная диаграмма напряженности электрического поля во внутреннем пространстве имитатора модуля КА с РПМ.

Из анализа частотной диаграммы на рис. 6 следует, что при размещении в объеме имитатора модуля КА указанных образцов РПМ ВТМВ-1С на всем частотном диапазоне включая и резонансные частоты происходит уменьшение уровней напряженности электрического поля. Например, значения напряженности электрического поля составляют: на резонансной частоте 455.6 МГц–58.3 В/м; на частоте 623.3МГц – 59.5В/м; на частоте 1208 МГц–29.4В/м и т.д. Следует отметить, что при размещении образцов данного РПМ во внутреннем пространстве имитатора модуля КА в исследуемом частотном диапазоне, произошло изменение резонансных частот, кроме одной частоты равной 1208 МГц. Как следует из сравнения частотных диаграмм на рис. 5 и 6, напряженность электрического поля на новых резонансных частотах в имитаторе модуля КА значительно уменьшилась и стала ниже значений напряженности электрического поля в GTEM камере. Для исследования возможностей РПМ ВТМВ-1С ослаблять проникающие электромагнитные в имитатор модуля КА поля в частотном диапазоне (0.1–6000 МГц), имитатор модуля закрывался сверху листовым образцом данного РПМ размером 400 × 400 × 30 мм. На рис. 7 приведены частотные диаграммы напряженности электрического поля для открытого имитатора модуля КА и для случая, когда он закрыт листом РПМ. Частотная диаграмма разностей напряженностей электрического поля для открытого и закрытого листом РПМ имитатора модуля КА, построенная в логарифмическом масштабе приведена на рис. 8. Как следует из анализа частотной диаграммы на рис. 8 разность напряженностей электрического поля, открытого и закрытого имитаторов модулей КА изменяется на данном частотном диапазоне от –1.6 до +17.2 дБ. Отрицательные значения частотной диаграммы разностей имеют место при малых значениях напряженности электрического поля и являются следствием интерференции поля в имитаторе модуля КА.

Рис. 7.

Частотная диаграмма напряженности электрического поля в имитаторе модуля КА: 1 – напряженность поля в открытом имитаторе модуля; 2 – напряженность поля в имитаторе модуля, закрытом РПМ.

Рис. 8.

Частотная диаграмма разностей логарифмических значений напряженности электрического поля в имитаторе модуля КА.

Проведенные исследования позволяют сделать заключение о том, что РПМ ВТМВ-1С может использоваться для ослабления отраженных электромагнитных полей от элементов конструкции КА, уменьшения уровней резонансных явлений во внутреннем пространстве модулей, корпусов бортовых приборов и устройств КА. Данный РПМ обладает также экранирующими свойствами и в совокупности своих свойств позволяет уменьшать уровни излучаемых электромагнитных помех на борту КА.

Применение РПМ ВТМВ-1С на борту КА может быть полезным дополнением для обеспечения электромагнитной совместимости бортовых приборов и устройств. Комплексный эффект его применения заключается в уменьшении уровней отраженных ЭМП, ослаблении проникающих в модули, корпуса бортовых приборов и устройств излучаемых ЭМП и, соответственно, уменьшении наведенных напряжений и токов в бортовых кабелях и электрических цепях КА.

Список литературы

  1. Кириллов В.Ю. Электромагнитная совместимость летательных аппаратов. М.: Издательство МАИ, 2012.

  2. Гальперин Ю.И., Гладышев В.А., Козлов А.И. Электромагнитная совместимость научного космического комплекса АРКАД-3. М.: Наука, 1984.

  3. Уайт Дональд Р.Ж. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып. 2. Внутрисистемные помехи и методы их уменьшения. М.: Сов. Радио, 1978.

  4. Армстронг Уильям К. ЭМС для систем и установок. М.: “ИД Технологии”, 2004.

  5. Иванов В.А., Кириллов В.Ю., Морозов Е.П. Модельные и стендовые исследования электризации космических аппаратов. М.: Издательство МАИ, 2012.

  6. Кириллов В.Ю., Марченко М.В., Томилин М.М. Электромагнитная совместимость бортовой кабельной сети летательных аппаратов. М.: Изд-во МАИ, 2014.

  7. Кириллов В.Ю., Томилин М.М. Гибкие металлизированные материалы для защиты космических аппаратов от электромагнитных полей. Технологии, измерения и испытания в области электромагнитной совместимости: материалы 3-й Всероссийской научно-технической конференции “ТехноЭМС-2016”. М., 2016. С. 25–26.

  8. Бибиков С.Б., Кириллов В.Ю., Куликовский Э.И., Томилин М.М. Гибкий материал для защиты бортовой аппаратуры космических аппаратов // Космич. исслед. 2018. Т. 56. № 3. С. 267–270. (Cosmic Research. P. 251.)

  9. Ковалева Т.Ю., Пустарнакова Ю.И., Ковалева А.Г. и др. “Радиопоглощающие материалы для покрытия электронных средств спец техники”. сб. статей. 27 международной конференции. “Электромагнитное поле и материалы. Фундаментальные физические исследования”. 2015. С. 431–436.

  10. Кечиев Л.Н. Экранирование радиоэлектронной аппаратуры. М.: Гриффон, 2019.

  11. Журавлев С.Ю., Кириллов В.Ю., Жуков П.А. Применение РПМ для космических аппаратов // Технологии ЭМС. 2018. № 4(67). С. 32–39.

  12. Ott Henry W. Electromagnatic compatibility. N.Y.: A John Willey&Sons Publication, 2009.

Дополнительные материалы отсутствуют.