СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПО ФИЛИАЛА ОАО

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
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
2
ВВЕДЕНИЕ
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)
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
3
РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ПОРЯДОК РАСЧЕТА ЛУ ЭКБ КА В
УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ ИИ КП
• 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
технологических
использованием
("LocalDose&SEE",
др.)
РЭА (ЭКБ) с учетом их конструктивноособенностей и места размещения с
КД
и
специализированного
ПО
"SPENVIS", "FASTRAD", "DSG", "ОСОТ" и
• 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.)
4
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОГРАММНЫХ
СРЕДСТВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЛУ НА БОРТУ КА
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
Параллелепипед, стандартная
Любой
(многослойный,
смесь, один
элемент)
windows-приложение
DSG
Основной недостаток большинства из перечисленных ПО:
Ограниченный выбор материала защиты
5
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПО
ФИЛИАЛА ОАО "ОРКК" - "НИИ КП"
1. ПО "DSG"
Специализированное ПО "DSG" целесообразно использовать для расчета локальных полей
воздействия ИИ КП в точке расположения РЭА (ЭКБ)
•
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
6
Сравнение результатов расчета ЛУ на борту КА на геостационарной орбите за алюминиевой
сферической защитой с помощью различных программ
Зависимости значения дозы (от протонов СКЛ) от
толщины защиты
Зависимости значения дозы (от электронов) от
толщины защиты
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
7
Зависимости значения дозы (от протонов ЕРПЗ) от
толщины 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
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
8
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПО
ФИЛИАЛА ОАО "ОРКК" - "НИИ КП"
2. ПО "DSG_Single"
Для
определения
детализированных
характеристик
защитных
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.
9
свойств
материала
целесообразно
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
защиты
10
Отработка ПО "DSG_Single" с использованием результатов испытаний защитных
корпусов – вольфрамовых сплавов и сплавов на основе алюминия
с добавками редкоземельных металлов
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
Зависимости удельных потерь энергии протонов в
сплаве вольфрама
•
Корректность и достоверность результатов расчета на "DSG_Single" подтверждена путем верификации с
другими ПО
•
Экспериментальные и расчетные значения совпадают (в пределах погрешности измерений)
11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
•
•
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
параллелепипедом из произвольного материала
• детализированных
характеристик защитных
(отдельно по факторам воздействия)
• корректность
и достоверность результатов
верификацией и экспериментальной отработкой.
• ПО
защитой,
свойств,
расчета
но
и
за
соответственно
подтверждена
имеет высокое практическое значение и позволяет обеспечить выбор
оптимального способа конструктивно-технологической защиты СБИС от
воздействия ИИ КП
12
Спасибо за внимание!