Анализ современного программного обеспечения для оценки локальных условий

функционирования СБИС на борту космических аппаратов в части ионизирующих

излучений космического пространства

Филиал ОАО "ОРКК" – "НИИ КП"В.С. Анашин, С.Б. Григорьева, О.С. Козюкова, И.А. Ляхов, Г.А. Протопопов

2

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение

2. Порядок расчета ЛУ ЭКБ КА

3. Специализированное ПО Филиала ОАО "ОРКК" - "НИИ КП"

4. ПО "DSG"

5. ПО "DSG_Single"

6. Заключение

3

Ионизирующие излучения (ИИ) космического пространства (КП) – основной естественный дестабилизирующий фактор, ограничивающий срок активного существования космических аппаратов (КА)

Естественные источники ИИ КП:• электроны и протоны естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ)• протоны и ионы солнечных и галактических космических лучей (СКЛ и ГКЛ)

Эффекты в ЭКБ от ИИ КП:•дозовые (ДЭ)•одиночные (ОЭ)

ВВЕДЕНИЕ

При разработке СБИС космических назначений для повышения их стойкости к воздействию ИИ КП применяются специальные конструктивно-технологические меры (дополнительное экранирование и др.), при выборе оптимального варианта и аналитического подтверждения эффективности которых используют программные средства для расчета локальных условий (ЛУ) воздействия ИИ КП на ЭКБ (СБИС) КА

4

• Расчет энергетических спектров частиц ИИ КП на поверхности КА с использованием моделей заряженных частиц (космоса) и специализированного программного обеспечения (ПО) ("CREME96", "OMERE", "COSRAD", "SPENVIS", "ОСОТ", "DSG" и др.)

• Расчет модели РЭА (ЭКБ) с учетом их конструктивно-технологических особенностей и места размещения с использованием КД и специализированного ПО ("LocalDose&SEE", "SPENVIS", "FASTRAD", "DSG", "ОСОТ" и др.)

• Расчет локальных полей воздействия ИИ КП в точке расположения РЭА (ЭКБ), в части моделирования взаимодействия с веществом защиты ЭКБ ("SPENVIS", "GEANT4", "MCNPX", "CREME96", "COSRAD", "SHIELDOSE", "OMERE", "DSG", "ОСОТ" и др.)

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ПОРЯДОК РАСЧЕТА ЛУ ЭКБ КА В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ ИИ КП

5

Название Геометрия защиты Материал Интерфейс

SPENVIS Стандартная (сфера, плоскость), сложная (секторный анализ)

Многослойный, любой состав Web

GEANT4 Любая Любой Пакет библиотек

MCNPX Любая Любой Пакет библиотек

CREME96 Стандартная Алюминий Web

COSRAD Стандартная Алюминий windows-приложение

SHIELDOSE Стандартная Алюминий Текстовые файлы

OMERE Стандартная Алюминий windows-приложение

ОСОТ Стандартная Алюминий windows-приложение

DSG Параллелепипед, стандартная

Любой (многослойный,

смесь, один элемент)

windows-приложение

Основной недостаток большинства из перечисленных ПО:Ограниченный выбор материала защиты

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЛУ НА БОРТУ КА

6

• численные модели ИИ КП, расчет дозы за защитой

• моделирование оболочки КА, корпуса РЭА и

корпуса ЭКБ (параллелепипед, модель сферы)

• любой материал (для каждого слоя химический

состав и процентное содержание задается отдельно)

• графический Windows-интерфейс

Входными данными для ПО "DSG" являются:

1) параметры орбиты

2) параметры материала защиты

Специализированное ПО "DSG" целесообразно использовать для расчета локальных полей

воздействия ИИ КП в точке расположения РЭА (ЭКБ)

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПО ФИЛИАЛА ОАО "ОРКК" - "НИИ КП"

1. ПО "DSG"

Сравнение результатов расчета ЛУ на борту КА на геостационарной орбите за алюминиевой сферической защитой с помощью различных программ

Сравнение результатов расчета ЛУ на борту КА на орбите 3000 км за алюминиевой сферической защитой с помощью различных программ

Зависимости значения дозы (от электронов) от толщины защиты

Зависимости значения дозы (от протонов СКЛ) от толщины защиты

Зависимости значения дозы (от электронов) от толщины защиты

Зависимости значения дозы (от протонов ЕРПЗ) от толщины защиты7

8

Расчетные и экспериментальные значения коэффициентов ослабления для трехслойных пластин с различной толщиной слоев

Материал Толщина слоя

Al, мкм (1 слой) 484 485 484 488 482

TaC, мкм (2 слой) 186 184 162 58 139

Al, мкм (3 слой) 47 45 40 54 41

Полная толщина, мкм 717 714 686 600 662

Коэффициент ослабления*

K_расчет 4,1 4,1 2,7 1,92 2,0

K_эксп 3,9 4,80 4,5 2,3 3,2

• Корректность и достоверность результатов расчета на "DSG" подтверждены путем сравнения результатов расчета на разных ПО

• Экспериментальные и расчетные значения находятся в пределах погрешности 40 %,что приемлемо для подобного типа программ

• Существенным преимуществом DSG является возможность выбора количества слоев и материалов защиты

Отработка ПО "DSG" с использованием результатов испытаний защитных корпусов из материалов со специальным многослойным покрытием на изотопной установке «Бета»,

работающей в режиме вывода пучка электронов

В таблице 2 приведены экспериментальные и расчетные значения коэффициента ослабления дозовых нагрузок при воздействии спектра электронов с энергией от 0,2 МэВ до 2 МэВ

9

Для определения детализированных характеристик защитных свойств материала целесообразно

использование дополнительного программного модуля "DSG_Single"

• расчет ЛПЭ спектров частиц

• расчет энергетических спектров частиц

• расчет удельной накопленной дозы

• графический Windows-интерфейс

Входными данными для ПО "DSG_Single" являются:

1) параметры источника заряженных частиц

(моноэнергетического);

2) параметры защиты (произвольный материал);

3) параметры чувствительных областей;

4) параметры исследуемых спектров частиц.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПО ФИЛИАЛА ОАО "ОРКК" - "НИИ КП"

2. ПО "DSG_Single"

Сравнение результатов расчета детализированных характеристик

Зависимости удельных потерь энергии протонов в сплаве вольфрама и меди

Зависимости удельных потерь энергии протонов в сплаве вольфрама, никеля и железа

Зависимости удельных потерь энергии протонов в сплаве вольфрама

Зависимости значения дозы (от протонов) от толщины защиты10

11

Зависимости удельных потерь энергии протонов в сплаве вольфрама

Экспериментальные и расчетные зависимости дозы за защитой от толщины защиты из алюминиевого сплава с добавками редкоземельных металлов при воздействии луча протонов с энергией 97±5 МэВ

Отработка ПО "DSG_Single" с использованием результатов испытаний защитных корпусов – вольфрамовых сплавов и сплавов на основе алюминия

с добавками редкоземельных металлов

• Корректность и достоверность результатов расчета на "DSG_Single" подтверждена путем верификации с

другими ПО

• Экспериментальные и расчетные значения совпадают (в пределах погрешности измерений)

12

• Проведен обзор специализированного ПО для расчетов локальных условий РЭА (ЭКБ) КА при воздействии ИИ КП

• Рассмотрены особенности программных средства "DSG" и "DSG-Single" (Филиала ОАО "ОРКК" - "НИИ КП"), существенным преимуществом которых является возможность расчета:

• поглощенной дозы не только за стандартной защитой, но и за параллелепипедом из произвольного материала

• детализированных характеристик защитных свойств, соответственно (отдельно по факторам воздействия)

• корректность и достоверность результатов расчета подтверждена верификацией и экспериментальной отработкой.

• ПО имеет высокое практическое значение и позволяет обеспечить выбор оптимального способа конструктивно-технологической защиты СБИС от воздействия ИИ КП

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спасибо за внимание!