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.

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.

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:

• На IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference 2016 (Кипр): статья на IEEE
• На конференции пользователей COMSOL Conference 2016 (Германия): подробное описание и презентация (на англ.)
• На дне COMSOL 2016 в Сколково (Россия): видео выступления (на рус.)

Дополнительная информация о постановке задача 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».

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.