где Т,-.средняя температура отсеков, в которых расположена энерговыде-ляющая аппаратура, °К; Т- температура поверхности элемен-та, К;

RoCm.- тепловое сопротивление, характеризующее передачу тепла элементу за счет кондуктивного теплоот-вода, лучистого теплообмена и вынужденной конвекции. Очевидно [Л. 37], величина теплового потока, падающего на поверхность космического объекта, зависит от ориентации поглощающих элементов относительно Солнца, Земли (планеты). Одни участки поверхности будут нагреваться (до температуры порядка 100°С и более), а другие - охлаждаться (до температуры около -100° С и ниже). Величина энергии, идущей на нагрев (охлаждение) поглощающих элемен; тов, составляет:

Qc = cG - (30-76)

где с-удельная теплоемкость ма-

териала; G - вес поглощающего элемента:

~т~ > 0 - при нагреве поглощающего - at

элемента I - < 0 - при ох-\ at

лаждении). Тепловой режим будет также зависеть от степени теплового излучения рассматриваемого элемента, энергия которого находится по формуле

Qr = eoTMs, . (30-77)

где в - степень черноты поверхности элемента;

о-.постоянная Стефана - Больцмана (0=5,67- Ю-12 вт/см-град4);

Т - температура поверхности элемента, К.

Если пренебречь некоторыми второстепенными источниками тепловой энергии (аэродинамический нагрев, существенный при полете космического объекта на высоте менее 150 км; нагрев за счет потоков микрометеоритного вещества, за счет потоков заряженных частиц и др.), то температура поверхности элемента в каждый момент времени может быть найдена из уравнения теплового баланса:

Qc + Qr = Qs + Qrs +

+ Qe + Qu (30-78)

При этом значения поглощаемой и излучаемой элементом энергии зависят от оптических свойств поверхности (коэффициенты As, Ае, е), в свою очередь, зависящих от длины волны приходящих излучений. Около 97% энергии солнечного излучения приходится на область спектра, лежащего в диапазоне волн 0,3-3 мкм, около 2%- на область спектра, лежащего в диапазоне волн более 3 мкм; около 1 % -на область

спектра, лежащего в диапазоне волн менее 0,3 мкм [Л. 39]. Собственное излучение Земли лежит в диапазоне волн длиннее 3 мкм.

Элементы, хорошо поглощающие в видимой части солнечного спектра, могут в космическом полете разогреваться до достаточно высоких значений температуры (более 100 С). Поэтому их иногда покрывают красками, имеющими малые значения коэффициента поглощения в видимой части спектра.

Величина температуры поверхности наружных элементов космического объекта определяется также качеством обработки поверхности, причем у шероховатых поверхностей величина коэффициента поглощения значительно больше, чем у гладких поверхностей.

Микрометеорные потоки. Потоки физических частиц (микрометеоритов и метеоритов) могут вызывать эрозию поверхности космического объекта, что приводит к изменению ее оптических свойств Образование микротрещин и кратеров при столкновении микрометеорных частиц с такими элементами, как датчики оптических систем, солнечные батареи и др., может при длительном существовании космического объекта привести к постепенному отказу этих элементов [Л. 40, 42].

Масса микрометеорных частиц небольшая (от Ю-3 до 10 ш г), но большая скорость движения этих частиц (от 10 до 70 км/сек) вызывает при столкновении с преградой ударную волну как в самой преграде, так и в налетающей частице [Л. 40]. В результате этого может происходить превращение вещества из одной кристаллической структуры в другую (например, железо переходит в более плотную кристаллическую фазу); сокращение межатомных состояний в полупроводниках и диэлектриках под действием высоких давлений ведет к их металлизации.

Плотность потока микрометеорных частиц в значительной степени меняется с расстоянием от Земли; повышенная плотность наблюдается вблизи Земли на высотах 100-300 км; с удалением плотность потока уменьшается. При этом для частиц с массой Ю-8 г на высотах 100-300 км плотность потока в среднем составляет 0,3-. 0,7 1 /м2 сек, а на высоте около 1 000- 2000 км уменьшается на несколько порядков [Л. 40]. В межпланетном пространстве космический корабль может встретиться со сгустками микрометеоритного вещества, в которых пространственная плотность потока частиц может резко возрасти, причем в этих потоках имеется достаточно большое число частиц с массой, большей 0,001 г. Встреча космического корабля с подобными сгустками может привести к повреждениям наружных элементов.

Невесомость. Ее воздействие на РЭА, расположенную в герметизированных отсеках, проявляется в виде снижения эффективности систем принудительной конвекции, особенно жидкостных систем охлаж-

дения (появление застойных зон, газовых пробок в жидкостях и др.). Спроектированные с учетом воздействия невесомости системы теплообмена позволяют значительно уменьшить ее влияние на работоспособность РЭА [Л. 7, 37].

щей через максимум внутреннего пояса, за 1 год активного существования, повергнется воздействию интегрального потока [см. ф-лу (30-71)] более 10 протонем2, поскольку за корпус космического аппарата проникают протоны с энергией 20-30 Мэе и

Полный отказ:

W1S T3fe Юппротяен/жъ Ухудшение характеристик

Рис. ЗС-16. Зависимость радиационных повреждений в элементах радиоэлектронной аппаратуры от интегрального потока протонов,

/ - угольные композиционные резисторы; 2 - металлопленочные резисторы; 3 - бумаж-ные конденсаторы; 4 - майларовые конденсаторы; 5 - керамические конденсаторы; 6 - сверхминиатюрные электронныз лампы; 7 - металлокерамические электронные лампы; 8 - низкочастотные полупроводниковые дноды; 9 - высокочастотные полупроводниковые диоды; 10- туннельные диоды; 11 - кремниевые управляемые выпрямители; 12- низкочастотные транзисторы; 13 - высокочастотные транзисторы; 14 - элементы кремниевых солнечных батарей (незащищенные стехлом); 15 - кристаллы кварца; 16- магнитные материалы; 17 - полиэтилен; 18 - тефлон; 19 - слюда.

Космическая радиация. В околоземном космическом пространстве [Л. 42] наблюдаются мощные потоки заряженных частиц, связанных с их локализацией во внутреннем и внешнем радиационных поясах Земли (см. т. 1, разд. 6). За пределами магнитосферы Земли (на удалениях, превышающих 60 000 км) на аппаратуру космических объектов в основном воздей-: ствует солнечное корпускулярное излучение, возникающее ; при крупных солнечных вспышках.

Протоны высокой энергии в основном содержатся во внутреннем радиационном поясе. Так, максимальная плотность потока протонов с энергией более 40 Мэв на расстоянии около 3 000 км от Земли (в экваториальной плоскости) составляет около 3-104 протон]см2 сек. Означает [Л.. 33], что аппаратура ИСЗ с орбитой, проходя-

более. Для некоторых узлов РЭА такие потоки опасны и могут приводить к отказам.

Электроны высокой энергии (более 1 Мэе) существуют во внешнем поясе, причем максимальная плотность их потока достигает 105 электрон/см2-сек (на расстоянии от Земли в экваториальной плоскости около 16000 км). Электроны такой энергии, проникая через корпус ИСЗ, воздействуют на элементы РЭА и при большом времени полета ИСЗ могут приводить к отказам.

Низкоэнергетические потоки протонов и электронов во внутреннем и внешнем радиационных поясах Земли имеют более высокую интенсивность. Но эти потоки- могут представлять опасность только для элементов аппаратуры, расположенной на внешней поверхности.

Следует указать, что наряду с естественными радиационными поясами Земли

могут быть образованы и искусственные. Так, в июле 1962 г. в результате ядерного взрыва, произведенного США над о. Джон-стон на высоте 400 км (тротиловый эквивалент заряда 1,4 Мт), образовался мощный искусственный радиационный пояс с потоком электронов в интервале энергий 20 кэв<Ее<7 Мэе [Л. 42]. Искусственный нояс существовал более года и представлял в первые месяцы серьезную опасность для бортовой аппаратуры ИСЗ.

Действие заряженных частиц на элементы РЭА космических летательных аппаратов в основном вызывается теми же явлениями, какие имеют место при действии нейтронов и гамма-квантов, и были уже рассмотрены выше. При действии протонов с энергией более 400-500 Мэв в активном веществе элементов, особенно в ППП, могут происходить ядерные реакции, приводящие к превращению ядер и соответствующему разрушению р-п переходов.

Потоки заряженных частиц вызывают необратимые изменения параметров элементов, определяемые накопленной дозой излучения, и обратимые изменения, зависящие от мощности дозы [Л. 33].

На рис. 30-16 показана ориентировочная зависимость стойкости некоторых элементов РЭА к воздействию протонов [Л. 36]. В соответствии с составом материалов элементов и технологией их изготовления каждый конкретный тип элементов будег характеризоваться различными значениями стойкости к воздействию ионизирующих излучений.

Так, пленарные транзисторы более стойки к радиации, чем транзисторы с меза-структурой, а тонкопленочные транзисторы на 2-3 порядка более стойки, чем монокристаллические транзисторы [Л. 41].

Прн расчете надежности РЭА ИСЗ определяют интегральные потоки заряженных частиц разных энергий в зависимости от времени активного существования и параметров траектории движения ИСЗ (высоты апогея н перигея, угла наклона плоскости орбиты к плоскости экватора). По графикам (рис. 30-16) или другим данным находят значения стойкости элементов к действию радиации и, сравнивая эти значения с интегральными потоками частиц тех энергий, которые проходят через корпус ИСЗ и аппаратуры, определяют границы работоспособности аппаратуры [Л. 33, 34, 421.

Наиболее сильному воздействию космической радиации подвергаются элементы аппаратуры космических объектов, расположенные на внешней поверхности (солнечные батареи, оптические элементы и др.). Следует заметить, что в оптических элементах потоки космической радиации могут вызывать уменьшение коэффициента пропускания за счет помутнения стекол, а также явление свечения стекол. Последнее может в свою очередь приводить к- помехам в работе таких электронных приборов, как аст-роориентаторы [Л. 34].

Анализ радиационных условий в космическом пространстве показывает, что на высотах полета ниже 1 000 км действие радиации на аппаратуру ИСЗ не будет приводить к нарушениям ее работоспособности даже при длительном полете, до одного года и более [Л. 34]. При длительных полетах ИСЗ на высотах более 1 ООО км космическая радиация представляет значительную опасность, и при проектировании РЭА, предназначенной для работы на ИСЗ, необходимо учитывать ее воздействие.

30-7. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Способы повышения надежности в процессе проектирования и производства

Мероприятия по повышению надежности должны проводиться в процессе проектирования и производства аппаратуры и ее элементов, а также в процессе эксплуатации. Хотя показатели-надежности в основном определяются уровнем - проектирования и производства, в процессе эксплуатации они могут быть как повышены, так и снижены.

В процессе проектирования и производства повышение надежности может быть достигнуто проведением следующих основных мероприятий:

совершенствованием принципов построения узлов аппаратуры;

установкой в аппаратуре элементов и материалов с высокими показателями надежности;

обеспечением облегченных (по сравнению с указанными в ТУ) режимов работы элементов;

защитой аппаратуры- и ее узлов (элементов) от воздействия ударов, вибраций, влажности и других внешних эксплуатационных факторов;

испытанием узлов аппаратуры в граничных условиях и режимах (метод граничных и матричных испытаний);

широким применением узлов и схем микроэлектроники;

применением резервных узлов и блоков (при необходимости резервных элементов, позволяющих исключить влияние на надежность РЭА слабых звеньев );

использованием входного контроля материалов и элементов на заводе - изготовителе РЭА;

использованием на электрическом монтаже и сборке узлов РЭА механизированного и автоматизированного оборудования;

обеспечением легкого доступа к узлам и блокам для быстрого отыскания и устранения причины отказа;

применением встроенных или автономных устройств автоматического контроля работоспособности.

При создании надежной аппаратуры наряду с широким применением по.тупро-