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运载器雷击生存性的设计考虑_0

2019-06-08 14:04编辑:admin人气:


一、概述

1、方法:为了避免雷击导致的发射失败,在运载器的设计上采用雷击生存性设计。

2、益处:宇宙神/半人马座(Atlas/Centaur)和航天飞机飞行的经验表明,在采用适当的保护性设计后,可以增强航天器避免自然或引爆触发雷击的影响而生存的能力。

3、已成功使用该方法的项目:Saturn, Atlas/Centaur, Titan和航天飞机。

二、实施方法

考虑到阿波罗12遭到雷电袭击的事故、AC-67的失败以及在39-B航天飞机发射区遭到的多次雷电袭击,为提高运载器及地面保障设备的电磁兼容性((EMC)采取了有效的措施。对所有需考虑的有特定有效载荷和发射要求的那些航天器,EMC原理在本质上是一致的。本文对宇宙神/半人马座和航天飞机的保护性设计做了介绍。对于雷电及瞬态加固,设计者需要考虑的关键点是:航天器地面保障设备和适当的接地、搭接要求及电路保护。这主要通过连线屏蔽,其次是通过瞬态限制器来解决,遵循详细要求可限制雷电及大电流瞬态的损害。

1、地面保障设备:发射系统综合服务塔显著地比航天器高,造成一个对应于航天器的45°保护锥角,(如图1所示),遭受电击的可能性随锥角的设计和锥角内物体的位置而改变。发射塔本身就是一个低阻抗的导体。

图1

航天飞机发射区的避雷保护措施地面保障设备(如脐带塔、勤务塔等)必须包含适当的雷电电流的导电通路。这些建筑物必须遵从《美国防雷电标准》(NASP-78)的规定。对这些建物提出要求的原因是为了避免塔内雷电导体与地面保障设备之间存在的巨大的电位差。所有对大电流敏感的设备必须有效地接地和搭接,关键电路通常由瞬态限制器保护。所有电缆线束都应有外屏蔽层且两端接地。此外,为了防止电磁感应瞬态的影响,线路的连线应扭绞。所有将地面保障设备和有效载荷相连的连线及部件都应相应接地。与航天器相连的线路或组件都应该加固以免受雷电瞬态或电磁干扰的影响。下面列出线路保护的几个推荐方法:a.防雷电设备及相应的机械装置应放在关键电路的界面和电流环路区域内,那里直接和感应雷击时可能出现很大的电位差。这些区域应是惯导系统(INU)上行连接和数据采集系统(DAS)下行连接线路接口以及遥测系统连接处。b.在安装地面保障设备时,单个的装置应接地到设施结构上。c.遭受瞬态充电的设备必须满足MIL-B-5087 (S级)的搭接要求,组件必须与发射塔的设施网(facility grid)相连。d.大直径的接地电缆应接到地面主要结构部件外部。e.必要时,应采用辅助的接地线来减少处于连接和分开状态的产品之间的电位差。

2、航天器上的设备:航天器上的设备包括运载器及有效载荷(如卫星、试验舱等)。因为雷电主要损害火箭的鼻锥或整流罩等部位,这些部位内的设备应屏蔽以经受电流和感应作用的影响。为了保护运载器及组件,应从航天器结构、搭接措施及线缆屏蔽开始加强防护。为了保护内部设备,大面积的导电层必须延伸覆盖到整个航天器的长度,通过将航天器设计为一块在级间充分搭接的全金属表面,这个问题很容易解决。对复合材料蒙皮的航天器,需要一条等同于整个航天器长度的电缆管道及在表面覆盖导电涂层。所有存储敏感装置都应进行EMI加固并应远离电缆管道。将整个航天器系统搭接在一起的目的就是为了维持一个等电位的系统(见图2)。为了获得一个低阻抗的参考面,应确保所有的贮箱段都被焊接及搭接。所有直线长度超过12英寸的金属组件都应有一条与结构相连的放电通道。运载器所有的关键区域都必须按照MIL-B-5087B(R级)或NSTS 07636标准搭接以满足NASA的搭接要求。

图2

宇宙神/半人马座上的接地平面搭接所有电子组件的接头(如连接件、金属管等)都强令搭接以获得一个等电位的环境。这一点对于可能形成大的电流环的场所或在航天器上有关键电气组件的场所都是重要的。所有这些地方的电气搭接都必须遵从MIL-B-5087B(S和R级)或NSTS 07636的电气搭接要求。当实施搭接时,设计者应充分考虑截面积和表面积。所有连接表面都应清除绝缘材料和杂物,例如:油漆、氧化物及铁锈。此外减少导体上的急弯也是重要的。急弯能引起导体高的分离力而且急弯也是电流脉冲上升边的高阻抗地区。更重要的是,它们还是潜在的飞弧点。在AC-67出现致命失效之后,制定了屏蔽指南。为了减少电缆线中的磁感应电势,已有可能设计能自动消除感应电势的电缆,这可通过封闭于铜编织套屏蔽的双绞线来实现。

下面的屏蔽方案适用于所有的运载器。a.电源和低频:扭绞电源线、信号线和它们的返回线,并应在两端以运载器结构为参考点。任何与电感负载相连且未在负载近旁用二极管抑制反电势的电源线都应被屏蔽并将屏蔽层的两端接地。不要在电源与分系统之间或分系统与单元之间屏蔽电源线。b.射频电路的屏蔽:射频电路或对射频敏感的电路都应按要求将其同轴电缆的外层编织套的两端及沿屏蔽全长上所有的点都接地。c.数据信号线:使用屏蔽双绞线且将屏蔽的两端接地。d.火工品线路的屏蔽:从电点火装置到火工品的电开关装置都应使用屏蔽双绞线,屏蔽应在两端接地。e.存储装置的屏蔽:考虑到很难估计到金属结构拐角处屏蔽性能的衰减,为保护设备免受过度内部通量影响,应采用充足的安全系数。f.线路屏蔽原则:阻抗大于100欧姆的线路或对高频敏感的线路都必须使双绞线被屏蔽。所有线路的屏蔽都应借助连接器的外壳使其两端与主结构相连。g.线束屏蔽:所有的电缆或线束屏蔽都必须将端头接在能导电的电磁干扰后壳(conductive EMI backshell)上,还必须采用360°周边屏蔽接头技术。为了减少由雷电引起的电磁感应,重要的是电线必须满足屏蔽的要求。这将限制“噪声”通过系统或“电路混乱”(Circuit upset)。设计者也可以考虑使用光缆的可能性,这样能消除对雷电引起的电磁效应的敏感性。这一点可以应用于控制线、数据线及传输线等处。h.结构设计原则:除了加强电系统,结构设计应避免对摩擦起电现象的敏感性。整流罩应是个全金属的析条结构,这样就把惯导系统和所有电子器件封闭在一个法拉第笼内。

三、技术依据

所有地面站设备和航天器设备都应对雷电瞬态及电磁干扰加固。当雷电袭击一个物体时,电流流过并在阻抗两端产生电压。如果阻抗大的话,电压就会很高,这样就产生相当大的电弧。AC-67在飞行时就发生了这样的事情,结果产生了一个不正确的偏航命令,从而导致了航天器与有效载荷俱毁的事故。即使雷击不直接作用在物体上,发生在附近的放电所产生的高磁通量也会在电子部件中感应出电流。当AC-43在发射平台上,就曾经观察到这种现象,它导致几个组件出现电路翻转。由于技术的改进和提高,Atlas II飞行历史上从来没有被雷电瞬态或电磁干扰影响过。整个系统的硬件屏蔽接头技术满足瞬态和焊接的要求,线束屏蔽端接的改进贯穿于整个系统,从而提供了系统/分系统对任何雷击感应影响的必要的抵抗力。

(来源:未知)

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