مقدمه: چالش الکترومغناطیسی در کنترل نگرش دقیق Spacecraft

چرخ های واکنش، اسب های کنترل نگرش فضاپیما هستند که دقت دقیق اشاره ای دقیق برای تلسکوپ ها، آنتن های ارتباطی و ابزارهای علمی بدون اخراج پروانه ها را قادر می سازد، اما عملکرد آنها مبتنی بر حفاظت از حرکت زاویه ای است: یک موتور الکتریکی ساده است، و فضاپیما به طور کامل در جهت مخالف چرخش می کند.

ریشه علت تداخل الکترومغناطیسی در چرخ های واکنش

برای طراحی اقدامات متقابل موثر، مهندسان ابتدا باید منابع EMI را در یک سیستم چرخ واکنش درک کنند.این منابع به سه دسته گسترده تقسیم می شوند:

رانندگی موتور الکترونیک

چرخ های واکنش معمولاً از موتورهای DC بدون برس (BLDC) یا موتورهای ثابت (PMSM) با استفاده از تنظیم کننده های تنظیم کننده پالس (PWM) استفاده می کنند.تغییر سریع جریان های بالا (اغلب در فرکانس های ده تا صدها کیلوهرتز) تولید می کند هارمونیک بالا است که در امتداد خطوط برق پخش می شود و به محیط اطراف می رسد.

۲- تعادل روتور و ارتعاشات مکانیکی

حتی یک روتور کاملا متعادل که در سرعت ثابت عمل می کند، ارتعاشات مکانیکی را ایجاد می کند که می تواند با ساختارهای نزدیک جفت شود، در حالی که نه به طور مستقیم الکترومغناطیسی، این ارتعاشات می توانند میدان مغناطیسی موجود در موتور را تنظیم کنند، تولید صدای میکروفونیک یا تولید جریان های لرزه ای در مواد مسکن رسانا.

۳- زمین و Wiring Set

مسیرهای بازگشت به اشتراک گذاشته شده، تجزیه و تحلیل ناکافی و کابل های طولانی بدون درز به عنوان آنتن های ناخواسته عمل می کنند. سیگنال های دیجیتال از سنسورهای سرعت، مانیتورهای دما و رابط فرمان می توانند به حلقه های کنترل آنالوگ، ایجاد متقابل و جریان های رایج که یا به زیر سیستم های حساس انتقال می دهند.

Insight: یک چرخ واکنش به خوبی طراحی شده باید به هر سه دسته منبع -الکترونیک، مکانیک و سیم کشی - برای دستیابی به سطوح زیر میکرو ولت EMI مورد نیاز برای ابزارهایی مانند ردیاب ستاره های بین اقتصاد سنجی یا سنسورهای گرانشی کم است.[۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳][۳

استراتژی های طراحی پایه برای مینیاتور کردن EMI

مهندسان مجموعه ای از تکنیک های اثبات شده را توسعه داده اند که هنگامی که به طور سیستماتیک اعمال می شوند، می توانند به طور چشمگیری انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش دهند.این روش ها کل چرخه طراحی را از انتخاب جزء به ادغام سیستم.

۴.۱-سپر و دیوارها

موانع فیزیکی یکی از موثرترین راه ها برای مهار انتشار گازهای الکترومغناطیسی باقی می ماند. مسکن های چرخ واکنش اغلب از مواد با کارایی بالا (مانند فلز یا Permalloy) ساخته شده اند تا محافظت مغناطیسی در فرکانس های پایین، همراه با مواد کامپوزیتی بالا (copper، آلومینیوم) برای محافظت از میدان الکتریکی با فرکانس بالا، تداخل چند لایه با شکاف های اتصال دهنده هوا و یا بخاروسافباره های بخار، همچنین می تواند از اتصال هوا استفاده شود.

| رصدخانه فضایی هرشل از چرخ های واکنش با لایه های لایه برداری شده برای محافظت از گیرنده های اوترودیne، که نزدیک به حد صدای کوانتومی عمل می کنند، استفاده می کند.

۴.۲- فیلتر کردن خط برق و Decoupling

انتشار گازهای گلخانه ای در اتوبوس های برق یک مسیر مشترک EMI است.یک توپولوژی فیلتر سه مرحله ای معمول است: یک حالت رایج در ورودی، به دنبال آن توسط ردیاب های مختلف و X / Y / خازن ها انتخاب دقیق فرکانس های برش فیلتر (معمولا زیر بنیادی PWM) و فرکانس های خود متغیر خود را تضمین می کند که حلقه های گسترده کاهشی (دو) و ترمز فعلی را کاهش می دهد.

انتخاب مواد و انتخاب جزء

مواد غیر مغناطیسی برای شفت های روتور، بلبرینگ ها و مسکن ها ترجیح می دهند تا از تحریف میدان مغناطیسی محیط جلوگیری کنند.انکول های سرامیکی یا بلبرینگ های هیبریدی ( نژادهای فولادی با توپ های سرامیک) کاهش تلفات فعلی و از بین بردن EMI القاء شده از تقویت الکترواستاتیک، استفاده از کامپوزیت های کربن برای سازه های روتور می تواند توده را کاهش دهد در حالی که غیررسانی، در نتیجه به حداقل رساندن میدان الکتریکی.

۴.۴ استراتژی عملیاتی: کنترل پروفایل های اسپین و شروع نرم

انتقال سریع EMI اغلب بدتر از انتشار گازهای گلخانه ای پایدار است. "Soft-start" شیب که به تدریج افزایش محدودیت حرکتی فعلی دی / dt را افزایش می دهد، به طور مشابه، هنگام تغییر بین حالت های سرعت، با استفاده از کنترل جریان خطی (به جای گام های مستقیم PWM) می تواند انتقال مغناطیسی را برای ماموریت های با دوره های بی پرده، چرخ واکنش می تواند به طور کامل یا متوقف شود (در طول حرکت سریع).

۴.۵ چیدمان و بهینه سازی Routing

جدا کردن فیزیکی مدارهای پر سر و صدا و حساس اساسی است. الکترونیک قدرت باید تا جایی که از رابط های سنسور آنالوگ عملی باشد، تمام کابل ها باید از ساخت و ساز با پیچ و خم شده محافظت شوند، با بازده زمینی در هر دو انتهای (برای سیگنال های با فرکانس بالا) یا تک نقطه (برای تقسیم بندی مناسب از هواپیماهای زمینی PCB جلوگیری از سر و صدا دیجیتال از اتصال جلو آنالوگ است که می تواند به عنوان حلقه های بالا حرکت کند.

تکنیک های پیشرفته برای چرخ های واکنش نسل بعدی

در حالی که استراتژی های بنیادی موثر هستند، نوآوری های اخیر مرزهای آنچه را که به صورت الکترومغناطیسی قابل دستیابی است، به ویژه برای ماموریت های علمی پرچمدار، فشار می دهند.

سلول های فعال و فیلتر کردن

تخلیه Active EMI از یک سیم پیچ ثانویه یا یک سنسور کمکی برای تزریق یک کپی معکوس از سیگنال مداخله استفاده می کند، لغو آن در منبع.این تکنیک می تواند برای هر دو جریان معمول حالت و زمینه های تابش شده استفاده شود. الگوریتم های سازگار مانند الگوریتم LMS فیلتر شده (L East Mean Square) ، می تواند تغییرات در مداخله را پیگیری کند زیرا سرعت، حفظ اثر در محدوده عملیاتی متفاوت است.

Supering Lights and Levitation

ابررسانه های دمای بالا (HTS) می توانند نیروهای ترشح را ایجاد کنند که از روتور بدون تماس فیزیکی پشتیبانی می کنند، از بین بردن سر و صدا و EMI مرتبط با آن به طور کامل تجربی، در حالی که هنوز هم چرخ های واکنش آزمایشگاهی برای مفاهیم مانند LISA Pathfinder [F:1] ماموریت های پیگیری، که در آن عملیات بدون کشیدن نیز به ابزارهای حساس لرزش مکانیکی، کاهش می دهد.

یکپارچه موتور محور با Gallium Nitride (GaN) Semiconductors

نیمه هادی های باند گسترده مانند GaN سرعت های سوئیچ سریعتر با ضررهای پایین تر از لاستیک های سنتی سیلیکون را ارائه می دهند، با این حال، تعویض سریع تر می تواند EMI را افزایش دهد اگر به دقت مدیریت نشده باشد، مزیت از توانایی استفاده از فیلترهای کوچکتر، سبک تر و پیاده سازی طرح های پیشرفته تر (مانند گسترش ساعت های زمان) که انرژی EMI را در یک گروه گسترده تر توزیع می کند، کاهش دامنه بالا در چرخ های واکنش به طور فزاینده ای به کار گرفته می شود.

تست، تایید و انطباق

طراحی برای کم EMI تنها نیمی از نبرد است؛ تست های کامل تایید می کند که سیستم واقعی مطابق با الزامات استاندارد است:

  • تست انتشار گازهای گلخانه ای در یک اتاق بیهوشی یا تجدید نظر، اندازه گیری شدت میدان الکتریکی و مغناطیسی از DC به چند گیگاهرتز.
  • تست انتشار گازهای گلخانه ای [FLT 1] بر خطوط برق با استفاده از شبکه های تثبیت کننده خط (LISNs) برای شبیه سازی اتوبوس برق فضاپیما.
  • تست قابلیت پذیری [FLT 1] برای اطمینان از کنترل الکترونیکی چرخ واکنش توسط زمینه های خارجی از سایر محموله ها مانند فرستنده های با قدرت بالا مختل نمی شود.
  • تست های انتقالی [به عنوان مثال، ESD، رعد و برق، اثرات غیرمستقیم] برای تأیید ایمنی در هنگام راه اندازی یا حوادث بر روی پیش بینی.

Mil-Std-461 و ECSS-E-ST-20-07 معمولاً استانداردهایی برای سیستم های فضایی، متناسب سازی محدودیت ها در محیط الکترومغناطیسی ماموریت هستند.

مسیر های آینده: طراحی چرخ های واکنش و ابزار

استراتژی نهایی کاهش EMI این است که چرخ واکنش را درمان کرده و ابزار حساس به عنوان یک سیستم همراه از اولین مرحله طراحی شامل این روش “co-design” می شود:

  • به اشتراک گذاری مدل های الکترومغناطیسی دقیق چرخ با تیم ابزار برای شناسایی فرکانس های آسیب پذیر.
  • انتخاب سرعت چرخ واکنش که از نفوذ بر باندهای عامل ابزار همپوشانی (به عنوان مثال، از طریق فیلترهای نورچ یا دیتر مکانیکی) اجتناب می کند.
  • یکپارچه سازی قدرت و کنترل الکترونیک چرخ در یک منطقه اختصاصی "quiet Zone" با سپر اضافی و منابع برق جدا شده است.

AIAA و دیگر سازمان ها مطالعات اخیر منتشر کرده اند که نشان می دهد چنین طراحی مشترک می تواند EMI سطح سیستم را تا 20 تا 30 دسی بل در مقایسه با رویکردهای سنتی سطح جزء کاهش دهد.

نتیجه گیری: دستیابی به الکترومغناطیسی برای علم

مینی کردن تداخل الکترومغناطیسی از چرخ های واکنش یک مشکل مهندسی سریع اما است که با ترکیب قوی سپر، فیلترینگ دقیق، انتخاب مواد هوشمند و لغو فعال پیشرفته، مهندسان می توانند مجموعه های چرخ واکنش ایجاد کنند که با تاثیر قابل توجهی بر حساس ترین ابزار عمل می کنند.به عنوان ماموریت های فضایی برای اندازه گیری های هدف-finer - از تشخیص موج گرانشی تا طیفوسکوپی - این اصول تنها قادر به باز کردن اسرار عمیق خود هستند: