научная статья по теме ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ»

№ 6

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2014

УДК 629.7.036

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

© 2014 г. Н. А. ВАЖЕНИН, А. П. ПЛОХИХ

Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (НИИПМЭ МАИ) E-mail: riame@sokol.ru

По данным экспериментальных исследований рассматриваются методы и результаты имитационного моделирования нетеплового излучения стационарных плазменных двигателей, которое представляет собой помеху для канала "Земля-КА" систем космической связи. Проводится сравнительный анализ статистических характеристик излучения стационарных плазменных двигателей (СПД) в радиодиапазоне, полученных экспериментально, с характеристиками разработанных имитационных моделей таких процессов. Рассматривается возможность использования разработанных имитационных моделей излучения СПД в радиодиапазоне при моделировании цифровых алгоритмов обработки сигналов в системах космической связи.

Ключевые слова: стационарные плазменные двигатели, электромагнитное излучение, электромагнитная совместимость, имитационное моделирование.

SIMULATION MODELING FOR THE ELECTROMAGNETIC EMISSION FROM STATIONARY PLASMA THRUSTERS

N. A. Vazhenin, A. P. Plokhikh

Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute (RIAME MAI) E-mail: riame@sokol.ru

Methods and results of simulation modeling for the non-thermal emission from stationary plasma thrusters that being an interference for a channel of spacecraft communication with ground systems are discussed based on the test results. Comparative analysis is made for the statistical characteristics of stationary plasma thruster emission in the radio range obtained by tests and appropriate characteristics of the developed simulation models of such processes. A possibility to use the developed simulation models of the SPT emission in the radio-frequency range while modeling digital algorithms of signal procession in the space communication systems is discussed.

Key words: stationary plasma thrusters, electromagnetic emission, electromagnetic compatibility, simulation modeling.

Использование стационарных плазменных двигателей (СПД) подтвердило их надежность и эффективность и выявило особенности, которые необходимо учитывать

при интеграции СПД с космическим аппаратом (КА) и его системами. Анализ результатов экспериментальных исследований собственного электромагнитного излучения СПД показал, что это излучение кроме тепловой компоненты содержит широкополосный импульсный случайный процесс, спектральная плотность которого лежит в пределах от десятков килогерц до единиц гигагерц [1, 2]. Это излучение может быть помехой для канала "Земля-КА" систем космической связи и должно учитываться на этапе проектирования при определении необходимого энергетического потенциала радиолинии и выборе алгоритмов обработки принимаемого сигнала.

Следует отметить, что существуют аналитические описания помех, но они не применимы непосредственно к помехам СПД, так как последние имеют совокупность параметров, не подпадающих под ограничения известных аналитических моделей. Поэтому разработка новых аналитических моделей излучения СПД и использование других методов имитационного моделирования — актуальная задача, направленная на повышение помехоустойчивости систем космической связи КА, оборудованных ЭРД.

В данной статье рассматривается метод, основанный на разработке эквивалентных математических моделей излучения СПД во временной области, базирующихся на результатах экспериментальных исследований. Целью создания таких моделей излучения ЭРД является их применение в задачах аналитического проектирования и имитационного моделирования радиосистем космической связи.

Характеристики излучения СПД во временной области

Для разработки эквивалентных математических моделей необходимо знать тонкую структуру и статистические характеристики излучения ЭРД. В настоящее время известны работы [1—5], посвященные изучению характеристик излучения ЭРД во временной области. Типовые значения параметров помех, создаваемых стационарными плазменными двигателями, рассмотрим на примере холловского двигателя Aerojet BPT-4000, для которого имеется большой объем измерений во временной области [1]. Пример данных, полученных для режима: мощность 4,5 кВт, напряжение разряда 400В, показан на рис. 1. На отрезке времени длительностью 400 мкс присутствует ~25 импульсов. Абсолютные значения напряженности электрического поля, пересчитанные в апертуру антенны (б), находятся в пределах (65—85) дБмкВ/м, причем большая часть импульсов имеет амплитуду ~75 дБмкВ/м. На рис. 1в показан один из коротких импульсов этой последовательности в большем масштабе. Наблюдаемые импульсы имеют длительность по уровню 0,5 от максимума в диапазоне от 0,5 до 5 мкс. В [3] отмечается, что для излучения двигателя СПД-100 в диапазонах L, S и C характерна ширина импульса от 1,5 до 2 мкс, что сравнимо с шириной 0,5—5 мкс, зафиксированной для двигателя BPT-4000, но существенно больше ширины импульса в 10— 200 нс, полученной ранее для двигателя SPT-100 в [4].

Проведены экспериментальные исследования спектральных и временных характеристик собственного излучения стационарных плазменных двигателей [5, 6]. Для лабораторного образца СПД-100 измерения проводились для различных значений разрядного напряжения, которое варьировалось от 300 до 800 В с шагом 100 В, и различных значений расхода рабочего тела (от 1,88 до 2,73 мг/с). Временные реализации излучения ЭРД записывались в интервалах времени 1—10 мс с шагом дискретизации 12,5 или 7,1 нс. Каждая реализация представляла собой комплексный процесс, сформированный на выходе полосового фильтра с полосой 80 или 140 МГц и центральной частотой, значение которой дискретно изменялось в пределах полосы частот 100 МГц — 12 ГГц с шагом 80 или 140 МГц. Изменение центральной частоты фильтра осуществлялось или в "панорамном" режиме, т.е. с постоянным шагом в пределах всего указанного диапазона частот, или для заданных диапазонов частот, соответствующих каналам спутниковой связи Земля-КА. Особое внимание было уделено высоковольтным режимам работы СПД-100, так как именно на них наиболее характерно проявляется импульсная природа излучения холловского двигателя. Примеры временных реализа-

^80 m

^60

й

If 40

S

ч

J 20 0

90

! I б

I

jl—1 I............. ...... 1 ..........

i г —Ul-J i Ii----LI 1

>80 w

4

bq 70 б0

-250

200

150

100

-50

0

50

100

t, мкс

Рис. 1. Пример реализаций амплитудной огибающей излучения двигателя Aerojet BPT-4000

ций огибающей принимаемого сигнала, полученных в "панорамном" режиме для частот 6,82-7,52 ГГц с шагом 140 МГц для режима Up = 800 В, Ip = 2,95 A, m = 2,73 мг/с, приведены на рис. 2.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что импульсное излучение ЭРД СПД-100 для высоковольтных режимов работы характеризуется формированием случайной последовательности импульсов, длительность которых лежит в пределах 0,2-7,0 мкс, а период следования в среднем — 10-30 мкс. В отдельных случаях наблюдается "пакетирование" импульсов, т.е. излучение последовательности близко расположенных импульсов, которая выглядит как один длинный импульс. Для оценки статистических характеристик проведен анализ закона распределения квадратурных реализаций, имеющих выраженные импульсные компоненты, который показал, что этот закон распределения существенно отличается от гауссовского. Примеры такого анализа приведены на рис. 3, 4 для центральной частоты 7,24 ГГц, совпадающей с диапазоном частот, выделенным для систем дальней космической связи. На рис. 3 приведена гистограмма распределения синфазной составляющей принятого сигнала, на которую наложен идеальный гауссовский закон распределения (ЗР), соответствующий параметрам реализации. На рис. 4 для тех же условий построен интегральный закон распределения (ИЗР) соответствующих реализаций на "вероятностной бумаге", позволяющий визуально оценить степень близости ЗР конкретной реализации к гаус-совскому с математическим ожиданием и дисперсией такими же, как и у экспериментально полученной реализации. Гауссовский ЗР (ГЗР) в этом случае показан в виде наклонной прямой.

Из результатов видно, что для синфазной компоненты комплексной огибающей принятого сигнала, ее дифференциальный (ДЗР) (рис. 3) и интегральный (рис. 4) ЗР существенно отличаются от гауссовского. Аналогичные результаты получены и для квадратурной компоненты сигнала. Для характеристик амплитудной огибающей процесса на рис. 5, 6 представлены ДЗР и ИЗР, соответственно. Из них видно отличие от рэлеевского закона распределения. Во всех случаях закон распределения фазы комплексной огибающей процесса близок к равномерному (рис. 7).

1111 /0 = 6,820 ГГц и : 1 J

..............м

|||| /0 = 6,960 ГГц 0 г !

1111 , /0 = 7,100 ГГц 1

/0 = 7,240 ГГц 0 1

! 1 /0 = 7,380 ГГц 1 ! !

! 1 /0 = 7,520 ГГц

т._*__

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09

t, мкс

Рис. 2. Реализации амплитудной огибающей излучения двигателя СПД -100 в диапазоне частот 6,82—7,52 ГГц

На рис. 8 показаны рассчитанные модули коэффициента корреляции (КК) комплексной огибающей сигнала, излучаемого СПД-100, для центральной частоты 7,240 ГГц. Кривые построены для исходной реализации и для реализаций, пропущенных через сглаживающий (полосовой) фильтр с разными постоянными времени от 25 до 200 нс, который позволяет фильтровать компоненты аддитивного шума.

0,2

0,1

0

-6

-4

СПД-100, /0 = 7,240 ГГц

| |

— 2

/

1

■ J к <-

-2

0

2

4

6

Е, мВ/м

Рис. 3. Гистограмма распределения синфазной составляющей: 1 — эксперимент; 2 — теория

5

5

5

5

5

0,9999

0,999

0,99

0,95 0,90

о о К

Ё

о

а Щ

0,50

0,1 0,05

0,0001

-6 -4 -2 0 2 4 6

Е, мВ/м

Рис. 4. Интегральный закон распределения: 1 —

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком