Определение областей возникновения электрической дуги в электронике спутниковых систем

    Возникновение электрического дугового разряда на орбитальных спутниках трудно предсказуемо и часто приводит к отказу системы. Инженеры Института сильноточной электроники (г. Томск, Россия) используют мультифизическое программное обеспечение COMSOL Multiphysics® для обнаружения критических областей возникновения пробоев, а также для оптимизации защиты бортового оборудования.



    Рис.1. Типовое повреждение, вызванное первичной дугой в источнике питания, работающем
    при напряжении 100 В.


    В 1995 году компания Boeing Satellite Systems представила новое семейство интерфейсных шин для спутников с силовыми, управляющими и двигательными системами в одном корпусе. В конструкции спутников использовались высоковольтные шины, подключенные к стабилизированному источнику питания 100 В вместо стандартного напряжения 27 В. Это привело к увеличению рабочего напряжения, что снизило рабочие токи и соответствующие активные потери в проводниках. Однако это также создало опасность катастрофической аварии в электронных системах спутников — дугового разряда (рис. 1).


    Переход на новый стандарт рабочих напряжений привел к проблеме возникновения электрической дуги между элементами электронных печатных плат. Для того, чтобы максимально уменьшить массу спутника, пространство внутри корпуса платы не заполняется изолятором и не конструируется для работы в вакууме. При этом возможно возникновение электрического дугового разряда или разрядного каскада, который может распространиться на значительный объем бортового оборудования. Зажигание электрической дуги внутри бортовой спутниковой системы всегда приводит к частичному или полному отказу. В большинстве случаев это приводит к выходу спутника из строя.


    Василий Кожевников, научный сотрудник Института сильноточной электроники поясняет:
    «Наши исследования тесно связаны с физикой газового разряда в экстремальных условиях, при которых электрооборудование не всегда работает по обычным физическим законам. Например, электрические разряды иногда возникают ниже порога, известного как минимальное напряжение Пашена. В обычных условиях такие значения напряжения недостаточны для возникновения разряда или электрической дуги между двумя электродами. Мы считаем, что это исследование также найдет потенциальное применение для диагностики электроники, работающей в широком диапазоне внешних параметров, таких как давление, уровни ионизации и т. д.».


    Поскольку электронные системы используются во все более экстремальных условиях, проблема предотвращения электрической дуги актуальна не только для гражданской космической промышленности. Электрическая дуга представляет угрозу для любого электронного изделия, разработанного для длительной автономной работы с повышенными требованиями к отказоустойчивости. Поэтому решение этой проблемы актуально не только для спутников, но также и для наземных систем и подводного оборудования.


    Определение критических областей


    Для предотвращения разрушения бортового электронного устройства самопроизвольным дуговым разрядом необходимо обозначить так называемую «критическую область», в которой возникает самоподдерживающийся разряд. Как только эта потенциально проблемная область будет определена, инженеры должны провести дополнительные исследования, чтобы выявить причины, которые могут вызвать электрический дуговой разряд.


    «В программном обеспечении COMSOL нам удалось провести исследование без создания собственного вычислительного кода. Мы ожидаем, что [оно] будет чрезвычайно перспективным для наших будущих исследований» — Василий Юрьевич Кожевников, научный сотрудник Института сильноточной электроники.

    В ходе экспериментальных исследований невозможно определить такие зоны риска, поскольку на практике невозможно воспроизвести весь диапазон рабочих параметров, возможных на космической орбите.



    Рис. 2. Пример печатной платы для спутникового оборудования. Ширина критических областей менее 5 мм. Инженерам Института сильноточной электроники необходимо определять диапазон небезопасных условий эксплуатации и характеристик для разработки системы, которая может эксплуатироваться на борту спутников без риска выхода из строя.


    Единственно возможная альтернатива, моделирование, также сопряжена с большими трудностями. Прежде всего, типичное бортовое электронное устройство состоит из множества печатных плат, распределенных по большой площади и размещенных внутри металлического корпуса (рис. 2).


    «Единственный способ определить возможные области возникновения самоподдерживающегося разряда — это численное моделирование разряда, но оно практически невозможно для таких крупномасштабных задач из-за связанных с этим затрат на вычисления. Задача моделирования разряда является одновременно и мультифизической, и многоуровневой»— Василий Юрьевич Кожевников, научный сотрудник Института сильноточной электроники.

    Обработка геометрической модели


    Исследовательская группа в Томске упорно работала над поиском точного и практически применимого вычислительного подхода. Для решения этой задачи исследователи предложили методологию «декомпозиции», реализованную с помощью вычислительных средств. Вместо полного моделирования разряда постоянного тока для всего электронного устройства они создали специализированное приложение для моделирования, которое самостоятельно разделяет устройство на части и ищет в нем наиболее вероятные критические области. С этой целью они использовали программное обеспечение COMSOL Multiphysics и среду разработки приложений для создания мультифизической модели, поддерживающей весь цикл моделирования.



    Рис. 3. Коррекция геометрии в COMSOL.


    Важным этапом моделирования была предварительная обработка, выполненная для применения надлежащих граничных условий и импорта детализированной геометрии реальной бортовой электронной системы.


    Создание геометрических моделей и импорт из CAD в COMSOL

    Короткий видеообзор (на рус.): вот тут


    В видео рассказывается об основных инструментах работы с геометрией, операциях импорта и обработки сторонних CAD-геометрий и продемонстрируем построение геометрической модели средствами COMSOL Multiphysics®.


    С помощью Среды разработки приложений команда выполнила предварительную обработку с использованием специального метода на основе трехмерной макромодели. Они также реализовали свой собственный механизм импорта с автоматической коррекцией границ объектов (рис. 3). Это позволило существенно упростить процесс и улучшить результат генерации сетки (путем снижения количества расчетных узлов), а также повысить скорость расчета снизив вычислительную сложность задачи.


    Среда разработки приложений в COMSOL

    Короткий видеообзор (на рус.): вот тут


    Продемонстрирован функционал Среды разработки приложений по настройке графического интерфейса приложений для моделирования и написанию пользовательских функций и макросов.


    Декомпозиция задачи — физика плазмы


    После предварительной обработки моделирование проводилось в три этапа:


    1. Предварительный электростатический анализ потенциальных критических областей в трехмерной модели
    2. Извлечение областей, в которых происходит процесс усиления поля, и определение критических областей с помощью соответствующих двухмерных моделей
    3. Моделирование разряда постоянного тока в критических областях для дальнейшего исследования.



    Рис. 4. Слева: распределение плотности электронов для фазы самоподдерживающегося разряда. Эта двухмерная модель получена на основе результатов определения критических областей в трехмерной модели источника питания спутника. Справа: пример диаграммы критических параметров, на которой показана зависимость эмиссии электронов от давления. Цветовая карта отображает уровень плотности тока разряда.


    С самого начала команда использовала программный пакет COMSOL Multiphysics® из-за его уникального функционала в модуле Плазма, позволяющего в числе прочего проводить исследования на основе двухмоментной теоретической модели разряда постоянного тока, изменяя необходимые параметры. При моделировании был проведен анализ распределения электронной плотности и выявлена критическая область (рис. 4).


    Кожевников поясняет: «Программный пакет COMSOL Multiphysics® точно соответствует требованиям нашего проекта, в частности, в области анализа диапазона рабочих давлений. Такой расчет для средних и высоких давлений (на основе метода конечных элементов) намного быстрее и удобнее, чем моделирование методом частиц в ячейке (PIC). Метод PIC просто нецелесообразен для таких задач из-за больших вычислительных затрат. Возможно моделирование лишь упрощенных конфигураций (например, газовых диодов), но, в зависимости от задачи, оно может потребовать в 5–20 раз больше времени для средних давлений, чем расчеты с использованием COMSOL. Среднее время расчета в COMSOL для такой конфигурации составляет менее 2 часов».


    Созданное группой специализированное приложение, продемонстрированное на рисунке 5, позволяет скрыть от пользователя наиболее сложные элементы модели, в частности, исходные уравнения и комплексное описание рассматриваемых физических явлений в программном интерфейсе, оставляя доступным интуитивно понятные элементы настраиваемого графического интерфейса, позволяющего редактировать необходимые параметры, запускать пользовательские команды и обрабатывать результаты.



    Рис. 5. Разработанное В.Кожевниковым и его коллегами мультифизическое приложение позволяет изменять такие параметры, как давление и эмиссия электронов, для определения областей, в которых наиболее вероятен самоподдерживающийся разряд. Приложение дает возможность изменять положение дуги и исследовать некоторые режимы зажигания разряда без полномасштабного моделирования разряда постоянного тока. В результате работы оно рассчитывает электрический потенциал во всей системе электронных компонентов.


    Кожевников рассказывает: «Строго говоря, благодаря COMSOL нам удалось провести исследование без создания собственного вычислительного кода, который для этой задачи был бы чрезвычайно сложным. Мы ожидаем, что это программное обеспечение будет чрезвычайно полезным для наших будущих исследований газовых разрядов. Аргументом в пользу выбора COMSOL стал также широкий выбор инструментов предварительной и постобработки, включая Среду разработки приложений и функции импорта из различных CAD-систем».


    Решение аэрокосмических и междисциплинарных задач


    По мнению исследователей, существует возможность использовать аналогичные модели в исследованиях, в которых решаются другие практические задачи. Если в будущем станет возможным выполнение полного неразрушающего испытания, то моделирование в COMSOL позволит сузить область экспериментальных испытаний путем исключения несущественных частей. Некоторые работы по разработке неразрушающих испытаний были выполнены коллегами В.Кожевникова из лаборатории вакуумной электроники Института сильноточной электроники.


    «Автономное программное обеспечение для спутникового оборудования должно быть достаточно гибким, чтобы гарантировать постоянную работоспособность аппарата, — отмечает В.Кожевников. — Стандарты космической промышленности периодически меняются, поэтому трудно учесть все последствия таких изменений. Мы решили задачу диагностики дугового разряда, однако мы ожидаем, что увеличение напряжения также потребует серьезной модернизации некоторых бортовых электронных устройств для соответствия новым условиям эксплуатации. Проще говоря, если условия работы какого-либо устройства существенно отличаются от «нормальных условий», то необходимо соответствующим образом перестроить его архитектуру. Наше приложение предоставляет рекомендации по перепроектированию печатных плат для увеличения их устойчивости к электрической дуге, но оно также может быть полезно при разработке отказоустойчивых электронных систем.»

    P.S. Дополнительная информация


    Статья основана на материалах журнала COMSOL NEWS 2017. Презентация результатов данной работы состоялась:



    Дополнительная информация о постановке задачи и исследуемых процессах в плазме: отчет о НИР «Проведение проблемно-ориентированных исследований по разработке методов выявления механизмов возникновения дуговых разрядов в бортовом оборудовании космических аппаратов при длительной эксплуатации в условиях космического пространства и разработка рекомендаций по их предотвращению».


    Видеодемонстрация работы разработанного авторами приложения:



    Она была сделана для конкурса Create the Future 2016.


    В рамках данного блога мы, российский офис компании COMSOL, будем продолжать знакомить вас с различными примерами и приёмами использования COMSOL для междисциплинарного моделирования. Оставайтесь с нами и приходите 26 октября на очередной день COMSOL 2017 в Москве, где сможете вживую увидеть актуальные презентации пользователей и мастер-классы.


    COMSOL
    Multiphysics for everyone!
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 28

      +3
      Что то я не совсем понял. А почему при изначальном проектировании печатных плат сразу не сделать DRC? По моему все современные пакеты это умеют.
      То есть:
      1) Рассчитываем напряжение пробоя киловольт/мм для текстолита в вакууме
      2) Вносим это расстояние для цепей с высоким напряжением
      3) Делаем DRC контроль платы
      4) Profit!
      0
      А внутри спутника — не вакуум? И если да, то почему?
        0
        Для улучшения теплоотвода от элементов, для исключения негативного воздействия вакуума на материалы?
          0
          Для облегчения теплового режима приборы могут быть помещены в гермоотсек, заполненный газом, который используется в качестве теплоносителя.
            0

            Тогда в модели не хватает еще и состава газовой смеси помимо напряжения и давления

              0
              Да, если аппаратура в гермоотсеке, возможна объёмная ионизация, и при определённых условиях возможен пробой по закону Пашена. Но для этого должны быть дополнительные механизмы, связанные с локальным усилением эмиссионной способности поверхности (отсюда).
          +1
          А почему вся плата не заливается пробоерезистивным компаундом сверху, и на вакум начхать, минимизировать влияния плазмы или газов
            +1
            Иногда заливается, но есть особенности, которые надо учитывать. Увеличение массы, изменение теплообмена, к тому же имеют место зарядовые эффекты в объеме диэлектрика — "Если напряженность электрического поля в объеме облученного диэлектрика от внедренного заряда превысит его электрическую прочность, то произойдет электрический пробой диэлектрика на его поверхность. При некоторых условиях характер кумуляции энергии в разрядном канале соответствует электрическому взрыву" (Источник — Акишин А.И, «Космическое материаловедение»)
              0
              Можно же просто лаком покрыть — вес минимально увеличится.
                0
                Лаком покрывают всегда — но этого может быть недостаточно. В частности, под лаковым покрытием могут образовываться нитевидные кристаллы (НК), создающие локальное давление до 1МПа и прорывающие его. Если покрытие прочное, то НК будут расти под ним (источник).
                  0
                  В чем кардинально отличие от проектирования печатки под conformal coating для любого другого применения? Когда печатка под покрытием — наличие/отсутствие ваккума — маловолнущий фактор, как я понимаю.

                  Методики защит PCB разными видами conformal coatings давным давно отработаны, в том числе и в высоковольтных применениях. Проблема роста whiskers, т.е. «волос» т.е. «НК», достаточно успешно решается когда плату делают с ENIG покрытием, и сами компоненты берут не луженные, а золоченые.

                  На мой взгляд — проблема, несмотря на то, что она сложна, из пальца высосана. Давным давно решен вопрос с ростом whiskers, просто за счет использования правильного типа печатки(никелирование+золочение), правильных компонент(с золоченными выводами), и правильного(!!!) профиля при пайке.
                  Тот-же 3M дает вполне предметные рекомендации, и что самое главное гарантии, на технологии покрытия печатных плат своими защитными покрытиями для гарантированного снижения вероятностей пробоя за счет образования «волос».
                    0
                    Большое спасибо, уважаемым читателям за проявленный интерес к теме нашей разработки! Отвечу кратко на Ваши вопросы:

                    Рост «усиков» (whiskers) не является проблемой в настоящее время и не исследовалась в данном проекте.
                    Проблема в том, что лаковое покрытие в условиях длительной эксплуатации неизбежно трескается — этот процесс аналогичен разрушению пластикового бампера автомобиля со временем. Как только появляется трещина, т.е. обнажается металический элемент платы, риск возникновения разряда существенно возрастает. В реальности он выше, чем в случае без лакового покрытия. Причина данного явления в том, что диэлектрические поверхности в космических условиях превращаются в дополнительные источники эмиссии электронов, способствующих пробою. Диэлектрики вообще хорошие источники вторичных электронов, некоторые даже обладают рекордными показателями.

                    Закон Пашена для пробивных напряжений вообще не является достаточным критерием возникновения разряда. Он справедлив только для плоскопараллельных электродов. В конфигурации «острие-плоскость» пробивное напряжение уже значительно ниже, т.к. на острие электрическое поле на порядки выше, а ионизация определяется его модулем. Таким образом, без полноценного моделирования разряда здесь не обойтись. Выставлять зазоры с десятикратным запасом — значит увеличивать массу оборудования.

              –1
              В самом начале статьи написано: чтобы не увеличивать вес.
                –1
                Для сокращения веса
                0
                на сколько я знаю там ещё и проблема ионизирующего излучения не просто пустой звук. Иногда в платы спутников прилетают такие мощные частицы что и от 27-вольтовой шины 5-мм протуберанец вылетает. ещё совецкие лампы в проекторы дуговые делали с активацией торием — радиация сильно увеличивает шансы образования дуги в самых невозможных местах.
                  0
                  Электроды для TIG-сварки (сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона) бывают с торием. Только не знаю, для этого он там, или по какой-то другой причине.
                    +1
                    Там используется не радиоактивность, добавка тория уменьшает работу выхода электронов, как и в торированном катоде старых радиоламп. Снижается напряжение зажигания. Радиоактивность — побочный эффект, вместе со стабильным изотопом попалось немножко нестабильного.
                  0
                  Неужели тот ужас, который показан на картинке №1 — летает?! Вы уж меня простите, но если такой треш изначально признают flight-worthy — то неудивительно, что оно сбоит.

                  Тот-же Altium достаточно хорошо делает расширенные DRC/ERC проверки. Использование внятных gap's и вдумчивое creeping distance позиционирование на плате — гарантированный способ в принципе обезопасить устройство от возможных проблем.

                  Кто сможет внятно дать _резюме_ статье: в чем вообще суть статьи? В том что можно моделировать в COMSOL?
                    0
                    Я так понимаю, статья именно о моделировании в COMSOL — автор и корпоративный блог об этом говорят, что само по себе не плохо. Пример не самый удачный — первый блин, так сказать, но если от него абстрагироваться, я за то, что бы материалов о моделировании было больше, желательно с более детальным описанием.
                    Вообще, был бы рад увидеть разбор тонкой настройки решателей для различных задач, хитрости и не очевидные настройки, которых в COMSOLе куча.
                      0
                      Добрый день, такой разбор устроить можно. Подскажите, пожалуйста, на примере задачи из какой области физики, было бы интереснее прочитать разбор?
                        0
                        Отвечу за него, ибо тоже было бы интересно краем глаза посмотреть. Да и вообще полезно когда в инете такое есть.

                        1. Тепловой расчёт. Скажем расчёт обдува радиатора в трубе.
                        2. Расчёт прочности простейшей конструкции, например ферма из профиля на изгиб.
                        3. Расчёт распространения звуковых волн.
                          0
                          По данной теме рекомендую посмотреть наши видеоуроки:
                          1. Тепловой анализ
                          2. Механический анализ
                          3. Акустический анализ
                          На geektimes похожие материалы также будут появляться, а пока если есть более конкретные вопросы — то буду рад ответить (пишите в личку, в вк, в наши тех.поддержку).
                          Если интересно самостоятельно что-то попробовать сделать, то могу предоставить актуальную демоверсию пакета.
                        0
                        В дополнение к ответу выше: Обращайтесь с конкретными вопросами к нам (в личку, в вк, в тех.поддержку) — так будет проще и с большей конкретикой. Кроме того, много очень детальных обзоров в том числе по решателям и настройкам на нашем сайте вот тут и без сомнения такие материалы будут со временем появляться и на geektimes (мы только начинаем)
                          0
                          Отвечу здесь на оба комментария. Лично меня интересует моделирование в области электрики и магнетизма, конкретно — моделирование сверхпроводящих материалов. Но вообще, думаю, будет интересно почитать и разборы в других областях.
                          Да, я периодически просматриваю подборку обзоров на приведенном сайте, в том числе и видео с вебинаров. В видео, обычно, подача материала более детальная, но текстовый формат удобнее — поиск нужного осуществляется быстрее по сравнению с отматыванием видео.
                          Будут конкретные вопросы, обращусь обязательно, спасибо!
                        0
                        По Вашей просьбе резюмирую. Диагностировать дугообразование в бортовой аппаратуре — это значит провести моделирование возникновения самостоятельного разряда. Других вариантов нет. Мы решали задачи ДИАГНОСТИКИ, а не дизайна. Нам предоставили плату, её разводку в Altium, и наша цель была — показать места, где загорится первичная дуга. Первичная дуга всегда порождает вторичные, которые и сжигают всё устройство.
                        Так вот, такая задача была решена впервые и нами. На основе COMSOL Multiphysics было построено приложение, которое импортировало геометрию устройства из Altium, корректировало её для дальнейших вычислений, производило декомпозицию согласно разработанной нами методике и определяло не только проблемное место, но и параметры среды, при которых загорится дуга.
                        0
                        Вот кстати видеодемонстрация работы разработанного авторами приложения.


                        Она была сделана для конкурса Create the Future 2016.

                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                        Самое читаемое