Испытательные лаборатории Европейского космического агентства

Смолин Максим

Статья посвящена техническому обзору Электромагнитной лаборатории Европейского космического агентства. Описаны технологии и характеристики оборудования, используемые для антенных измерений и испытаний на электромагнитную совместимость новых образцов космической техники. Приводятся рекомендации и решения, которые могут быть использованы при создании аналогичных испытательных комплексов в России.

58 0 0

печатать Статья в PDF (4 МБ)

Рост спроса на надёжную космическую технику предъявляет новые, повышенные требования к оснащению испытательных лабораторий. Для выбора эффективного решения при создании подобной лаборатории для одного из российских предприятий ракетно-космической промышленности в мае 2015 года было организовано посещение Европейского центра космических исследований и технологий (ESTEC), который входит в структуру Европейского космического агентства (ESA). ESTEC является основной площадкой для проведения целого комплекса испытаний новой техники, создаваемой для космических программ ESA. В структуру Центра, который насчитывает более 2000 инженеров, входят 11 научных и испытательных лабораторий.

Целью посещения стала Электромагнитная лаборатория, где проводятся испытания на электромагнитную совместимость и антенные измерения бортовой аппаратуры изделий космической техники. Лаборатория располагается в отдельном ангаре с собственными инженерными коммуникациями (вентиляция, заземление), не зависящими от основных инженерных сетей Центра. Благодаря этому созданы необходимые для проведения испытаний условия по классу чистоты и кондиционирования помещений, а также исключены радиопомехи от общей с Центром шины заземления.
Рис. 1. Компактный антенный полигон Электромагнитной лаборатории

Электромагнитная лаборатория пред-ставляет собой два комплекса безэховых экранированных камер, в которых проходят испытания космической
техники:

компактный антенный полигон, предназначенный для проведения испытаний бортовых антенн диаметром до одного метра, работающих в диапазоне частот от 2 до 110 ГГц (см. рис. 1).
комплекс для проверки электромагнитной совместимости до 18 ГГц.

Антенный комплекс

Комплекс создан на базе безэховой экранированной камеры, выполненной по модульному принципу. Экран камеры, изготовленный из оцинкованной стали, крепится к несущему каркасу болтовыми соединениями. Это позволяет модернизировать камеру за счёт добавления новых секций, а также, в случае необходимости, разобрать, перенести и заново собрать камеру на новом месте. Габариты безэховой камеры антенного комплекса составляют 10 × 5 × 4 м. Стены, потолок и пол покрыты пирамидальным радиопоглощающим материалом EcсoSorb. На входе в камеру используется плоский напольный радиопоглощающий материал.

Оборудование антенного комплекса состоит из двух коллиматорных зеркал фирмы March, двухплоскостного позиционера ACC и комплекта излучающих рупорных антенн. Такая система (см. рис. 2) позволяет создавать плоскую волну в ближней зоне для измерения диаграммы направленности антенн, в том числе для европейской навигационной системы Galileo, а также для проверки радарных систем и свойств радиоотражающих ма-териалов.
Рис. 2. Расположение антенного позиционера и коллиматоров внутри безэховой экранированной камеры антенного полигона

Используемый в безэховой камере позиционер обеспечивает вращение по азимуту и линейное перемещение для увеличения / уменьшения расстояния антенны до коллиматорных зеркал. Управление позиционером осуществляется из комнаты оператора, находящейся за пределами антенной камеры. Комплекс оснащён системой видеонаблюдения и регистрации, что обеспечивает контроль проведения антенных измерений и пожарной ситуации внут-ри камеры.

Основным контрольно-измерительным прибором для проведения антенных измерений является четырёхпортовый анализатор электрических цепей производства Keysight серии PNA (рабочий диапазон от 10 МГц до 50 ГГц).

Комплекс для проверки электромагнитной совместимости космической техники

В комплексе проводятся испытания приборов космических аппаратов и отдельных изделий, перечисленных в таблице 1.
Таблица 1. Основные типы испытаний на электромагнитную совместимость, проводимые в комплексе
Основной стандарт испытаний – MIL STD-461E, но в конструкцию камеры внесено дополнение: пол покрыт ферритом и залит составом, похожим на эпоксидную смолу. Это позволяет отрабатывать в камере научные и экспериментальные задачи. Например, дополнительно уложив на пол металлический экран, можно намеренно ухудшить характеристики безэховости, приблизив условия проводимых испытаний к реальным. Кроме этого, комплекс активно используется для исследования новых методов и процедур испытаний на ЭМС: измерение спектральной плотности мощности в миллигерцовом диапазоне, двойная инжекция объёмного тока, и так далее. При испытаниях на электростатический разряд применяются основные стандарты – IEC 61000-4-2 и ECSS-E-ST-20-07C. В комплексе проводятся научные эксперименты по испытанию аппаратуры микроспутников (L = 40 см), работающих в диапазонах S, L, VHF и UHF.

Конструкция безэховой экранированной камеры (внутренние размеры 8,55 × 7,5 × 4,575 м) также имеет модульный, сборный принцип и оснащена автоматическими воротами 3 × 3,5 м. Стены и потолок покрыты пенным радиопоглощающим материалом EccoSorb VHP-18 NRL (см. рис. 3).
Рис. 3. Покрытие радиопоглощающим материалом безэховой экранированной камеры для испытаний на ЭМС

Как уже было сказано, использование отдельной шины заземления всей Электромагнитной лаборатории позволяет исключить проникновение помех от общей шины заземления Центра. Для более эффективного экранирования все провода питания и сигнальные кабели, которые вводятся в камеру из комнаты оператора от стоек контрольно-проверочной аппаратуры, дополнительно проходят через специальные панели с набором различных типов фильтров (коаксиальных, оптических, волноводных). Это позволяет обеспечить максимальную эффективность экранирования внутри рабочей зоны камеры (см. рис. 4).
Рис. 4. Испытательный стол с вводом от фильтров для проведения испытаний на кондуктивные помехи (слева – отфильтрованный ввод)

Для обеспечения противопожарной безопасности внутри камеры во время проведения испытаний используется комплекс различных средств: датчики дыма, автоматическое запирание дверей, инертный газ. Система вентиляции в камере – аспирационного типа. Комната оператора имеет размеры 3,45 × 6,6 × 2,925 м (см. рис. 5).
Рис. 5. План комплекса для испытаний на ЭМС
Она оснащена разнообразным контрольно-измерительным оборудованием: Rohde & Schwarz (модель ESR), Keysight, Tektronix, усилителями мощности Prana и Amplifier Research. Основные параметры лаборатории ЭМС приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные параметры комплекса для проведения испытаний на ЭМС

Комплекс ЭМС также оборудован магнитостатическим аппаратом для измерения устойчивости аппаратуры космической техники к наведённым электромагнитным полям (см. рис. 6).
Рис. 6. Стенд для проверки на устойчивость к электромагнитным полям
Устройство состоит из следующих основных подсистем:

двух пар катушек Гельмгольца для компенсации (вертикальное поле и горизонтальное поле, выравнивание по локальной оси Север-Юг), обеспечивающих испытательный объём (с неоднородностью 1000 нТ) приблизительно 70 × 70 × 70 см;
пары катушек Гельмгольца для размагничивания (автоматическая по-
следовательность с полем 4 Гц, амплитуда ~ 4 мТ) и намагничивания (автоматическая трёхминутная последовательность на трёх разных уровнях: 0,1, 0,2 и 0,3 мТ);
двух трёхкоординатных магнитометров с электроникой и разъёмами для подключения к ПК;
поворотного стола с электроприводом, кодовым угломером и разъёмом для подключения к ПК;
персонального компьютера с программным обеспечением для сбора данных, управления, моделирования и формирования отчётов.

Разработанное специалистами ESTEC программное обеспечение получает данные о плотности магнитного поля от магнитометров и согласовывает эти данные с дипольной моделью путём оптимизации положения и мощности магнитных диполей. Это позволяет спрогнозировать магнитное поле и его градиенты на системном уровне.

Заключение

Анализ используемых в Электромагнитной лаборатории решений позволяет сделать вывод о возможности реализации подобных проектов для нужд российских предприятий ракетно-космической промышленности. Общие рекомендации по созданию испытательных лабораторий:

Наличие отдельных коммуникаций (вентиляция, очистка и кондиционирование воздуха) позволяет создавать необходимый микроклимат и класс частоты внутри помещения камеры. Отдельная шина заземления с рекомендованным сопротивлением 0,5 Ом позволяет исключить проникновение помех от общей шины заземления предприятия.

Модульные конструкции камер имеют ряд преимуществ перед сварными. Прежде всего, это возможность модернизации экрана камеры за счёт добавления новых секций, а также перемещение и повторная сборка камер в новом помещении. Кроме того, такая конструкция предъявляет пониженные требования к квалификации техников-сборщиков и нет необходимости в сварочных работах.

Контрольно-измерительное обору-дование разных производителей поз-воляет выбирать оптимальные решения благодаря использованию общих протоколов и интерфейсов передачи данных.

Наличие российского контрольно-из-мерительного оборудования и радио-поглощающих материалов позволит уже сейчас частично заменить импортные приборы и материалы при создании испытательных лабораторий.

При дальнейшем совершенствовании характеристик и расширении частотного диапазона российского оборудования (прежде всего, анализаторов цепей, анализаторов спект-ра, усилителей мощностей) возможно полное импортозамещение при создании и оснащении испытательных комплексов для проверки электромагнитной совместимости и антенных полигонов.

58 0 0