Нусинов М.Д. Космический вакуум и надежность космической техники - файл n1.doc

Нусинов М.Д. Космический вакуум и надежность космической техники
скачать (1115 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1115kb.20.11.2012 08:26скачать

n1.doc

  1   2   3   4


М. Д. Нусинов,

кандидат технических наук


КОСМИЧЕСКИЙ ВАКУУМ

И НАДЕЖНОСТЬ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ


в приложении этого номера:

НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ
ХРОНИКА КОСМОНАВТИКИ



Издательство «Знание» Москва 1986
ББК 39.6

Н 90


СОДЕРЖАНИЕ

Введение

3

Космический вакуум: общие характеристики

7

Воздействие космического вакуума на элементы космического аппарата

19

Космический вакуум и живая материя

38

Рекомендуемая литература

59

НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ

59

ХРОНИКА КОСМОНАВТИКИ

62

Нусинов М. Д.

Космический вакуум и надежность космической техники. – М.: Знание, 1986. – 64 с, ил. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»; № 6). 11 к.

Явление космического вакуума широко используется в различных космических экспериментах и технологических процессах, однако она и отрицательно воздействует на работу систем космических аппаратов. В брошюре рассказывается об основных типах воздействия космического вакуума на материалы, узлы и системы космических аппаратов, особо рассматриваются процессы воздействия космического вакуума на живую материю, в частности на микроорганизмы.

Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся современными проблемами космонавтики.

1705050000ББК 39.6

© Издательство «Знание», 1986 г.

ВВЕДЕНИЕ

Вырвавшись на бескрайние просторы Вселенной и приступив к их планомерному освоению, человек вплотную столкнулся с принципиально новыми физическими явлениями, особое место среди которых занимает космический вакуум. Однако следует предостеречь читателя от прямого толкования этого термина: слово «вакуум», как известно, в переводе с латинского означает «пустота». Такое дословное толкование сейчас представляет собой разве что музейную ценность. В земной практике, например, принято считать, что мы имеем дело с вакуумом, если давление в газовой среде ниже нормального атмосферного значения. В общем же случае, вопреки давно бытующей поговорке «Природа не терпит пустоты», Вселенная на 99,999...% состоит из вакуума, т. е. пустоты, и лишь ее незначительные части представляют собой сгущения материи.

Космический вакуум по своим характеристикам близок к тому предельному вакууму (или даже намного превышает), который получают сегодня в земных лабораториях в специальных установках. Поэтому можно сказать, что с этим вакуумом человек знаком давно. Как искусственный физический феномен вакуум не только известен, но и с незапамятных времен исправно служит людям.

Можно перечислить сотни научных экспериментов, постановка которых возможна лишь в условиях сильно разреженной среды. Только в вакууме удается получать сверхчистые металлы, осуществлять тончайшие технологические процессы. Без него не смогли бы работать кинескопы телевизоров и многие другие электронные приборы. Да что говорить, если даже обычные медицинские банки – это тоже своего рода «вакуумная техника».

Почему же космический вакуум мы называем новым физическим явлением? Чем отличается он от разреженных газовых сред, с которыми человек давно имел дело в привычных земных условиях?

Его первая «особая примета» – чрезвычайная разнородность структуры. Вселенная представляет собой бескрайнее, бездонное вместилище твердой, жидкой, газообразной и плазменной материи. Однако заполнена она крайне неравномерно. Концентрация газовых частиц в космическом пространстве меняется в поистине гигантском диапазоне. Так, например, у поверхности Земли она достигает астрономической величины 2,7·1019 частиц в одном кубическом сантиметре. Но если взять достаточно удаленное от небесных тел пространство, то здесь в том же объеме будет «прописана» в среднем уже лишь одна частица.

Вторая отличительная черта космического вакуума связана с неограниченной способностью космического пространства «поглощать» вещество. Частица, испарившаяся в космос с какой-либо поверхности космического летательного аппарата, практически не имеет никаких шансов вернуться «домой» – она превращается в вечного странника.

По вакуумным просторам Вселенной толпами и в одиночку путешествуют молекулы, атомы, протоны, электроны, фотоны, словом, материальные частички самых разных мастей. Причем они движутся с гигантскими скоростями, но, к счастью, от встреч с большинством из них жители Земли избавлены благодаря двойной защите: плотной газовой оболочке (атмосфере) и магнитному полю. В атмосфере Земли сгорают и рои твердых микрометеороидов, общение с которыми тоже не сулит человеку ничего хорошего.

Но в открытом космосе никто и ничто не защитит человека, если он сам о себе не позаботится. Пребывание живых организмов в космическом вакууме незащищенными невозможно. В XVII в немецкий физик О. Герике поместил в стеклянный шар мышь и, откачав из него воздух, обнаружил, что мышь быстро погибла. Этот наглядный пример показывает, что в космическом вакууме не может быть незащищенной жизни. Поэтому космонавты при выходе в открытый космос облачаются в специальные скафандры.

Здесь, конечно, перечислены не все сюрпризы, которыми встречает отважных пришельцев космический вакуум. Но даже из того, что сказано, можно сделать определенные выводы.

В течение всего полета космических кораблей на их борту необходимо сохранять атмосферные условия, максимально приближенные к земным: малейшая утечка газа в космическое пространство чревата самыми серьезными последствиями. Иначе говоря, пилотируемый космический аппарат должен быть надежным образом загерметизирован. На Земле в специальных лабораториях с предельной тщательностью проверяются каждый шов, каждый стык космического корабля. Но это только четверть дела. Обеспечить надежную герметичность при стыковке пилотируемых космических аппаратов в космосе – задача еще большей сложности. Однако и эта проблема была успешно решена.

Поддерживать стабильный тепловой режим внутри кабины космического аппарата – также дело непростое. Причем управлять температурой на околоземной орбите ничуть не легче, чем во время межпланетного перелета. За короткое время искусственный спутник Земли переходит с освещенной Солнцем стороны Земли в ее тень и снова – на солнечную сторону. Его, в самом прямом смысле слова, бросает то в жар, то в холод. А при этом внутри его жилых отсеков температура должна быть постоянной, и поэтому на борту такого пилотируемого аппарата необходимо размещать специальную систему терморегулирования.

Однако защищать от космического вакуума надо не только человека, но и целый ряд бортовых устройств. Например, электронные узлы и блоки бортовых приборов, отдельные элементы автоматики и т. п. Далее, это различные механизмы и узлы трения, которым грозит так называемая холодная сварка и т. п.

Итак, космический вакуум предъявляет как к пилотируемым, так и к беспилотным космическим аппаратам немало специфических требований, которые нужно учесть еще в процессе наземной подготовки к полету – в космосе подобные эксперименты могут обойтись слишком дорого. Отсюда вытекает необходимость создавать на Земле лабораторные установки, в которых моделируются условия космического вакуума. И такие установки были созданы. В них можно исследовать поведение не только космических аппаратов, но также и ракет-носителей. Трудно даже представить себе гигантские размеры таких установок.

Сверхвысокий вакуум поддерживается в испытательных моделирующих установках главным образом путем вымораживания газов и паров на внутренней поверхности установок. Эти поверхности охлаждаются до сверхнизких температур жидкими азотом, водородом и гелием. Поэтому развитие космической техники дало мощный импульс развитию вакуумной и криогенной техники.

Ученые всерьез занялись также наукой о моделировании воздействий космического вакуума на материалы, узлы и элементы космических аппаратов, что породило новую отрасль науки – космическое материаловедение.

Кроме воздействий на искусственные материалы космических аппаратов, космический вакуум воздействует также специфическим образом на естественные вещества поверхностей различных безатмосферных небесных тел. Однако эти воздействия должны служить предметом отдельного разговора.

В настоящей брошюре рассматриваются разнообразные воздействия космического вакуума на материалы, узлы и элементы устройств космических аппаратов. В ряде случаев эти воздействия ухудшают эксплуатационные характеристики этих объектов и могут привести даже к отказам, оказывая в целом неблагоприятное воздействие на функционирование космического аппарата и его частей. В других случаях космический вакуум оказывает благоприятное воздействие и может быть использован в полезных целях (процессы космической технологии и бортовые эксперименты в условиях космического пространства).

Поскольку узлы и блоки космических аппаратов, как правило, представляют собой очень сложные оптико-механические и электронные устройства, то даже знание детальных характеристик поведения отдельных их составных частей в космическом вакууме (вакуумные характеристики) пока не дает еще возможности аналитически оценить и заранее предсказать те или иные особенности их поведения при длительном пребывании в космическом пространстве (ресурс, отказы и т. п.). Однако так как все они требуют в той или иной степени высочайшей надежности в космическом полете, то единственно приемлемым пока способом их наземной подготовки к полетам являются тщательные наземные исследования и испытания в установках, моделирующих воздействия космического вакуума.

Особо рассматривается воздействие космического вакуума на биологические объекты – микроорганизмы. Эти воздействия представляют практический интерес с точки зрения стерилизации космических аппаратов и планетного карантина. Кроме того, они имеют самостоятельное значение в области фундаментальной науки – применительно к проблеме происхождения жизни на Земле, определения границ земной биосферы и др.

КОСМИЧЕСКИЙ ВАКУУМ. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Природный вакуум. Космическое пространство, в котором сейчас функционируют космические аппараты, весьма различается по своим физическим характеристикам. Это и верхние слои атмосфер Земли, других планет, некоторых их спутников и кометных ядер, это и межпланетное пространство, это, наконец, и межзвездное пространство, к которому приближаются в настоящее время автоматические станции «Пионер-10», «Пионер-11», «Вояжер-1», а вскоре и «Вояжер-2» (после пролета Нептуна). В связи с этим являются различными и условия космического вакуума, в которых работают системы космических аппаратов.

Например, астрономические наблюдения показывают, что межзвездное пространство в областях ионизованного водорода характеризуется средней концентрацией частиц около 106 м–3 и температурой порядка 100 К. Иные характеристики вакуума в межпланетном пространстве, которое заполнено частицами межпланетной плазмы, имеющими в основном солнечное происхождение. Вообще говоря, условия в межпланетном пространстве широко варьируют в зависимости от солнечной активности, изменяющейся с 11-летним и другими циклами.

Ближайшая к нам звезда, Солнце, состоит по массе в основном из водорода (около 90%) и гелия (9%). Верхние слои внешней атмосферы Солнца, солнечной короны, имеют кинетическую температуру порядка 1 млн. К, что обеспечивает выброс (эжекцию) частиц из короны в околосолнечное пространство со скоростями от 300 до 800 км/с (при среднем значении 450 км/с). В результате образуются стационарные потоки плазмы – солнечный ветер, состоящий в основном из ионизованного водорода и гелия.

Около орбиты Земли солнечный ветер характеризуется средними концентрацией атомов водорода 5·106 м–3 и кинетической температурой около 200 тыс. К. В период максимума солнечной активности, после появления на Солнце хромосферных вспышек, средняя скорость частиц солнечного ветра может возрастать до 1000 км/с, а средняя концентрация частиц – до 108 м–3. При взаимодействии сверхзвуковых потоков частиц солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется ударная волна на расстоянии порядка 10 радиусов Земли от земной поверхности.

Свойства околоземного пространства во многом определяются строением земной атмосферы, одной из основных характеристик которой является атмосферное давление. С увеличением высоты над поверхностью Земли атмосферное давление быстро уменьшается, что связано со все меньшей концентрацией частиц в земной атмосфере в более верхних ее слоях. Атмосферное давление – это давление атмосферного столба на определенной высоте, и чем меньше частиц в столбе (чем меньше его масса), тем меньше и давление. p>ВВпервые на то, что должна существовать зависимость давления воздуха от высоты местности, обратил внимание Б. Паскаль. Он поднялся на крышу высокого здания и обнаружил, что по мере подъема уровень ртути в манометрической трубке понижается. В 1647 г. его родственник Ф. Перье поднялся на гору Пюи де Дом в Овернской провинции (Франция) и полностью подтвердил предположение Б. Паскаля.

Дальнейшие подробные исследования позволили определить атмосферное давление и температуру на различных высотах от поверхности Земли. На рис. 1, например, показаны давления атмосферы Земли в зависимости от высоты над ее поверхностью по данным, имевшимся в 1958 г., т. е. на начало космической эры. В табл. 1 приведены современные данные о распределении атмосферного давления, температуры и концентрации частиц нейтральной составляющей атмосферы Земли при различном удалении от земной поверхности.



Рис. 1. Давление воздуха на различной высоте над поверхностью Земли (по данным 1958 г.): 1 – тропосфера, 2 – стратосфера, 3 – ионосфера (1 торр = 133 Па)

Таблица 1

Некоторые характеристики атмосферы Земли в зависимости от высоты
над уровнем моря в условиях средней солнечной активности


Высота, км

Температура, К

Давление, Па

Концентрация
нейтральных
частиц, м–3


Средняя
молекулярная
масса, а. е. м.


Уровень моря

300

~105

2,7·1025

29

30

243

~104

4·1023

29

100

200

2,9·10–2



29

200

1200

1,3·10–4

2·1016

25

500

1300

9,3·10–7

7,6·1013

17

1000

1300

~10–8

2,6·1011

9

20000

~103

~10–12

~108

2


Из сравнения рис. 1 и табл. 1 следует, что ранние данные на сегодня уже неточны, причем расхождение увеличивается с высотой. Так, если на высоте 100 км фактическое давление ниже указанного на рис. 1 примерно в 50 раз, то на больших высотах оно, наоборот, выше указанного на рис. 1. Таким образом, примерно за четверть века космической эры были существенно уточнены наши знания об окружающем нас околоземном космическом пространстве, в том числе и о характеристиках его космического вакуума.

Состав атмосферы Земли на высотах более 100 км существенно различен как в химическом отношении, так и по состоянию частиц (молекулы, атомы или ионы). Однако до высот примерно 100 км сухая составляющая атмосферы (т. е. без учета воды) химически почти однородна, за исключением озона. На высотах до 60 км составляющие атмосферы существуют практически только в виде нейтральных молекул, на бульших же высотах возрастает концентрация электронов и ионов. На высотах свыше 700 – 800 км атмосферные составляющие существуют преимущественно в виде атомов, а на высотах свыше нескольких тысяч километров все составляющие становятся полностью ионизованными.

С удалением от поверхности Земли атмосферные слои являются все более и более разреженными. Степень разреженности среды иногда характеризуют с помощью средней длины свободного пробега частиц, т. е. до их столкновения друг с другом. Так, например, уже на высотах 100 – 150 км эта величина в атмосфере Земли составляет несколько десятков метров, т. е. становится соизмеримой с линейными размерами многих космических аппаратов.

Наконец, отметим, что земная атмосфера, главным образом ее внешняя часть – экзосфера, находится в непрерывном движении и изменении. Это связано с солнечной активностью и другими причинами. Наблюдаются 27-летние, 11-летние, сезонные, суточные, широтные и другие вариации концентрации частиц (и соответственно атмосферного давления) и температуры в атмосфере.

Ближайшее к нам небесное тело, Луна, также обладает атмосферой, но чрезвычайно разреженной: атмосферное давление у лунной поверхности порядка 10–10 Па ночью и 10–8 Па днем, а концентрация частиц составляющих атмосферы вблизи лунной поверхности 2·1011 м–3. В общем-то это понятно, ведь масса Луны в 81 раз меньше массы Земли, и поэтому даже столь разреженную атмосферу Луна удерживала бы с трудом, если бы не приток солнечного ветра.

Во время полетов на Луну космических кораблей «Аполлон» были непосредственно измерены концентрации основных составляющих лунной атмосферы, которыми оказались неон, аргон, гелий и молекулярный водород. Причем концентрации гелия и неона в целом согласуются с предположением, что их источником является солнечный ветер. Аргон, видимо, осаждается (адсорбируется) на лунной поверхности при ее сильном охлаждении ночью. А вот концентрация молекулярного водорода в 3 раза превышала ожидавшуюся из теоретических представлений.

Небольшая и также сильно разреженная атмосфера имеется у планеты Меркурий: атмосферное давление у ее поверхности равно 7,98·10–8 Па. Измерения, проведенные с помощью космического аппарата «Маринер-10», показали, что основные составляющие атмосферы Меркурия – это неон, аргон и ксенон.

Сравнительно разреженная атмосфера имеется у Марса, масса которого в 9 раз меньше массы Земли. Основными составляющими марсианской атмосферы являются углекислый газ, азот и аргон, атмосферное давление у поверхности 6,65·102 Па, что, естественно, во много раз выше, чем у Луны и Меркурия.

Очень плотной атмосферой обладает Венера: атмосферное давление у венерианской поверхности около 107 Па, температура 773 К. Доминирующей составляющей атмосферы является углекислый газ. На расстоянии 1000 км от венерианской поверхности концентрация атомов водорода равна 109 м–3, на расстоянии 6000 км – 108 м–3, а на расстоянии 20000 км – около 107 м–3.

Чрезвычайно мощные и протяженные атмосферы характерны для планет-гигантов – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Обнаружены также атмосферы у Ио (спутника Юпитера) и у Титана (спутника Сатурна). Атмосферное давление у поверхности последнего в 2– 3 раза превышает атмосферное давление у земной поверхности. Однако характеристики атмосфер у планет-гигантов мы рассматривать не будем, поскольку они далеки от характеристик космического вакуума.

Вакуум снаружи и внутри космического аппарата. Давление газа вокруг космического аппарата быстро падает в ходе его запуска с Земли и при выводе на околоземную орбиту. Условия высокого вакуума устанавливаются уже примерно после 3 – 5 мин космического полета. Это происходит на высоте около 150 км, где давление газа составляет около 5,05·10–4 Па. При этом средняя длина свободного пробега частиц газа здесь ориентировочно в 5 – 10 раз превосходит характерный линейный размер космических аппаратов.

При этих так называемых бесстолкновительных условиях высокого вакуума, если на космическом аппарате имеются негерметичные отсеки, будет не хватать времени для того, чтобы давления снаружи и внутри отсеков выровнялись. Последнее обстоятельство может привести к ряду неприятностей: например, при наличии включенных высоковольтных электрических цепей в отсеках космических аппаратов – к электрическим пробоям и т. д.

Конечно, аналогичное неравенство давлений возникает и при входе космического аппарата в плотные слои атмосферы при возвращении на Землю, но, так сказать, с обратным знаком.

В космическом полете вакуумная среда вокруг космического аппарата определяется в общем случае характеристиками планетной атмосферы или межпланетного пространства, а также характеристиками искусственной атмосферы, образующейся газовыделением материалов космического аппарата и другими источниками (газовыделение двигателей управления, утечка газа из кабин, выбросы отходов в случае пилотируемых аппаратов и т. д.).

В ходе полета космического аппарата концентрация частиц газа у его передней (по направлению движения) и его задней частей различна. У передней части наблюдается зона сгущения (а отсюда и повышенного газового давления), образующаяся в результате сметания газовых частиц передней (лобовой) поверхностью летящего космического аппарата. До соударения с этой поверхностью они имели только так называемую тепловую скорость, т. е. меньшую, чем орбитальная скорость космического аппарата.

Например, для атомов водорода в районе низких орбит искусственных спутников Земли тепловая скорость равна около 1,5 км/с, а в районе геостационарной орбиты – около 2,5 км/с. Напомним, что типичная круговая орбита низколетящих искусственных спутников Земли имеет высоту около 200 км, а геостационарная орбита – 36000 км, и орбитальные скорости здесь соответственно равны около 8 и 3,2 км/с. Отсюда видно, что данный эффект выражен сильнее для низких околоземных (околопланетных) орбит, чем для геостационарной орбиты.

В общем случае максимальное давление частиц газа на лобовую часть космического аппарата может на порядок превышать значение, характерное для данной среды в определенной точке космического пространства, а давление на хвостовую часть – на несколько порядков быть ниже, чем это значение. В зоне сгущения содержатся частицы природной среды, а также частицы «от газовыделений материалов космического аппарата и т. д., в то время как у задней части космического аппарата находятся главным образом частицы этих газовыделений и другие составляющие собственной (искусственной) атмосферы космического аппарата. Протяженность этой области с отсутствием частиц природной среды может в 10 раз превышать характерные размеры космических аппаратов.



Рис. 2. Схема вакуумных условий пребывания космического аппарата в космическом вакууме (а) и в моделирующих установках с внутренней (б) и внешней (в) откачкой


В полете космического аппарата лишь малая доля молекул, испаряющихся с его поверхности, будет возвращаться обратно (рис. 2). Это явление характеризуется так называемым коэффициентом возврата Z – отношением потока частиц, возвращающихся в единицу времени на единичную площадку поверхности космического аппарата, к потоку частиц, испаряющихся с нее в единицу времени. Например, Z порядка 10–3 при давлении насыщенного пара около 10–4 Па, создаваемом материалом с температурой около 300 К при средней молекулярной массе частиц 30 а. е. м. и средней длине их свободного пробега порядка 10 м. Для частиц с большей средней молекулярной массой Z ? 10–4.

В целом для космического пространства коэффициент возврата не равен нулю, хотя и является достаточно малой величиной. Правда, эта величина несколько увеличивается при очень низких орбитах спутников. Если при высоте орбиты около 1000 км коэффициент возврата порядка 10–6, то при высоте орбиты около 160 км – 0,5.

Обычно давление газовой среды на поверхность космического аппарата плавно изменяется от зоны сгущения до зоны разрежения (позади космического аппарата). Собственная атмосфера космического аппарата создает давление на его заднюю часть не более 10–8 Па (согласно измерениям с помощью вакууметров). Основной составляющей этой атмосферы являются молекулы воды, но, кроме этой составляющей, было выявлено свыше 60 различных веществ (в том числе жир от человеческих пальцев, частицы силоконовых жидкостей и т. д.).

Во время полета пилотируемого космического аппарата на низких орбитах на его поверхности образуется мономолекулярный (толщиной в одну молекулу) слой в течение нескольких секунд. Для непилотируемых космических аппаратов скорость газовыделения, а следовательно, и образования (конденсации) такого слоя а 200 раз меньше. Естественно, концентрация частиц газовыделения уменьшается с увеличением расстояния от поверхности космического аппарата, однако это уменьшение различно для разных высот орбиты. Так, например, начальное значение концентрации этих частиц уменьшается на порядок на расстоянии 0,1 м от поверхности космического аппарата при высоте околоземной орбиты высотой 100 км и на расстоянии 2 м – при высоте орбиты 500 км.

Если известна скорость газовыделения материалов космического аппарата, можно получить оценку давления частиц газа внутри негерметического аппарата. В общем случае для этого используются расчеты на ЭВМ с учетом количества отсеков космического аппарата, их специфических соединений друг с другом, природы и температуры выделяющихся газов, состава и состояния собственной атмосферы космического аппарата, температуры поверхностей внутренних отсеков и т. д.

Практическое применение космического вакуума. Большой научный и практический интерес представляет собой использование космического вакуума в различных процессах космической технологии, а также при проведении разнообразных экспериментов на борту космического аппарата, требующих одновременного воздействия микрогравитации и высокого или сверхвысокого вакуума, либо только одного (экстремально высокого) вакуума.

К подобным технологическим процессам относится изготовление сверхчистых материалов, а также тонкопленочных солнечных элементов (методами осаждения паров или ориентированного роста кристаллов – эпитаксии) в условиях высокого вакуума. В ходе экспериментов на борту космических аппаратов с использованием космического вакуума можно решать весьма обширный круг задач: исследовать физические свойства поверхности твердого тела (в частности, полупроводника), изучать взаимодействие различных молекулярных газов, а также ионных потоков с поверхностью твердого тела, проводить химический анализ поверхности и т. д.

В настоящее время даже среди специалистов широко распространено мнение о том, что использование космического вакуума в экспериментах, проводимых на борту, скажем, орбитальных станций, не представляет собой большой сложности, поскольку именно в условиях космического вакуума движутся орбитальные станции. В действительности, однако, использование космического вакуума является не столь уж простым делом и требует применения специальных методов, способствующих созданию необходимых глубины вакуума и скорости газовыделения бортовых установок.

Можно выделить три основных способа использования космического вакуума: в качестве «насоса» для откачки вещества из бортовой вакуумной камеры; в качестве вспомогательного «насоса» для предварительной откачки с последующим применением автономных насосов для создания высокого и сверхвысокого вакуума; в качестве «насоса», снабженного специальным защитным устройством (или просто – защитой), препятствующим «контакту» с космическим вакуумом, имеющим худшие характеристики (например, в зоне сгущения около лотовой поверхности космического аппарата).

Для проведения достаточно простых экспериментов с космическим вакуумом можно с успехом воспользоваться первым из перечисленных способов. Так, например, поступили при проведении экспериментов на борту американской орбитальной станции «Скайлэб». Из находящейся на ее борту сферической вакуумной камеры диаметром 0,4 м (объемом 32 л) отходила трубка диаметром 0,1 м и длиной 0,3 м, которая через шлюзовой затвор выходила в открытый космос. Соответствующей ориентацией орбитальной станции можно было добиться, чтобы отверстие трубки выходило в сторону, противоположную орбитальному движению, где, как известно, имеется зона разрежения в газовой среде, окружающей космический аппарат.

Расчеты показывали, что использование космического вакуума в качестве «насоса» позволяет получать достаточно низкое рабочее давление в такой вакуумной камере, равное для молекул водорода 6,65·10–5 Па. Такое значение рабочего давления и было достигнуто в ходе экспериментов на борту станции «Скайлэб», однако для проведения экспериментов с плавлением металлов газовыделение в рассматриваемом типе вакуумной камеры может повысить давление примерно до 5·10–3 Па.

Применение дополнительных автономных насосов способно понизить рабочее давление в бортовой вакуумной камере примерно в 20 раз, т. е. до значения 2,5·10–4 Па, а в случае криогенных автономных насосов – и до еще более низкого значения. Правда, для этого требуется предварительное обезгаживание всех компонентов вакуумной установки на Земле.

При предварительном прогревании вакуумной камеры, как это обычно делается при получении сверхвысокого вакуума в земных лабораториях, скорость газовыделения может быть снижена примерно в 100000 раз, а предельное рабочее давление в камере – до 7·10–10 Па.. Однако еще более существенное понижение рабочего» давления (до значения порядка 10–12 Па), видимо, возможно будет лишь с помощью специальных устройств «теневой» защиты.



Рис. 3. Схема полусферического защитного устройства («защиты»), используемого для получения сверхвысокого вакуума на борту космического аппарата: 1 – полусферическая «защита», 2 – направление движения (траектории) частиц космических газов (концентрация частиц 1016 м–3), 3 – направление скорости движения космического аппарата, 4 – выдвигающаяся штанга, 5 – область проведения бортовых экспериментов, 6 – молекулярные соударения за «защитой»


Как полагают, такое устройство будет представлять собой полусферическую оболочку (рис. 3), ориентированную так, чтобы открытая часть полусферы была направлена в сторону, противоположную направлению скорости движения космического аппарата. При этом внутренняя часть полусферы экранируется от «набегающего» газового потока. Само устройство может располагаться либо на штанге, выдвигающейся из космического аппарата на расстояние до 100 м (рис. 4), либо размещаться на автономно летящих непилотируемых космических платформах (рис. 5).


Рис. 4. Схема размещения «защиты» и автономной сверхвакуумной камеры на орбитальном пилотируемом космическом аппарате: 1 – «защита», 2 – выдвигающаяся штанга, 3 – отсек со сверхвысоковакуумной камерой с автономной вакуумной откачкой





Рис. 5. Схема размещения «защиты» на непилотируемом космическом аппарате технологического назначения: 1 – солнечные батареи, 2 – направление на Солнце, 3 – модуль системы, 4 – штанга, 5 – «защита», 6 – направление скорости движения космического аппарата

На высотах полета низколетящих искусственных спутников Земли доминирующей составляющей земной атмосферы является атомарный кислород с относительно высокой концентрацией (порядка 1015 м–3). Следовательно, нижняя атмосфера Земли состоит главным образом из химически активного газа, что, по-видимому, не позволит получать материалы высокой чистоты в технологических экспериментах без использования соответствующих защитных устройств. Да и на больших высотах полета, где атмосфера более разрежена, а атмосферный газ более инертный (главная составляющая здесь – гелий), также требуется защитное устройство из-за наличия загрязняющих газов, источником которых является сам космический аппарат.

Кстати, для рассмотренного ранее защитного устройства принята полусферическая форма, характеризуемая минимальным отношением площади внутренней поверхности к объему, что как раз необходимо для снижения воздействия загрязняющих газов. Кроме того, в случае сверхчистой (негазовыделяющей) защиты полусферическая форма эффективно защищает экспериментальную зону от молекул, находящихся по ходу движения космического аппарата, и даже от молекул, которые благодаря своей тепловой скорости могли бы догнать космический аппарата и попасть в экспериментальную зону (чтобы последнее не происходило, требуется, чтобы орбитальная скорость намного превышала тепловую скорость частиц газовой среды).

Расчеты показывают, что поток частиц, сталкивающихся с внутренней поверхностью защитного устройства, должен состоять преимущественно из атомов водорода и по порядку величины соответствовать потокам газа в земных лабораторных вакуумных установках с рабочим давлением 6,65·10–13 Па. Надо сказать, что имеются четыре основных источника, определяющих суммарную концентрацию газовых частиц внутри защитного устройства: составляющие земной атмосферы, продукты газовыделения внутренней поверхности защиты, продукты газовыделений деталей эксперимента, продукты газовыделения стенками космического аппарата.

При размещении защитного устройства на непилотируемых космических аппаратах (например, на пассивных гравитационно стабилизированных космических платформах) можно избежать ряда загрязнений, присущих пилотируемым космическим аппаратам. Кроме того, в этом случае становится возможным осуществлять длительное (в течение месяцев) предварительное прогревание для обезгаживания частей космического аппарата, находящихся в космическом вакууме.

ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКОГО ВАКУУМА НА ЭЛЕМЕНТЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Общие сведения. Главной особенностью космического пространства является его способность к «поглощению» неограниченного количества газов и паров, которые могут выделяться с космического аппарата в открытый космос. Следовательно, массопотери являются первейшим и наиболее характерным видом воздействия космического вакуума на материалы и элементы устройства космических аппаратов. Особенностью массопотерь в космосе является то, что из общего числа газовых частиц, улетающих (испаряющихся) с поверхностей космического аппарата, весьма мало возвращается к этим поверхностям. Это явление характеризуется, как уже говорилось, коэффициентом возврата Z.

В условиях космического вакуума испарение поверхностных слоев материалов космического аппарата (металлов, неметаллов и т. п.) происходит весьма эффективно в процессе сублимации – при переходе молекул и атомов вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Именно такой переход характерен для вакуумных условий. Этот процесс сопровождается такими последствиями, как потеря массы материалами, нарушение их поверхностных свойств и т. д.

Скорость сублимации зависит от состояния поверхности (поверхностных напряжений, загрязнения) и многих других факторов, расчеты ее очень сложны и имеют точность до порядка величины явления, происходящего в действительности в космосе. А ведь всегда требуется более точное знание этих скоростей, и поэтому их оценку осуществляют экспериментально в земных лабораториях, где моделируются условия космического вакуума.

В результате сублимации в том числе изменяется шероховатость поверхности, в частности терморегулирующих покрытий космического аппарата, что приводит к ухудшению оптических характеристик поверхности.

В космическом пространстве одновременно с вакуумом на материалы воздействуют электромагнитные и корпускулярные излучения космоса. Поскольку энергия связи материалов может быть более низкой, чем энергия квантов или частиц соответствующих видов излучений, то совместное воздействие вакуума и космических излучений может усиливать эффект сублимации1. Это особенно следует учитывать для таких материалов, которые весьма интенсивно поглощают излучение (например, терморегулирующих покрытий из оксидов железа и цинка, интенсивно поглощающих ультрафиолетовое излучение).

1 Одновременное воздействие различных физических условий космоса (синэргетическое воздействие) является предметом современного изучения космического материаловедения.

К характерным результатам воздействий космического вакуума относится и ряд других необычных поверхностных явлений. В первую очередь возрастает эффективность адгезии и когезии – процессов, вызванных межмолекулярным взаимодействием и приводящих к прилипанию и сцеплению материалов на поверхности. Эти процессы увеличивают трение и износ материалов, изменяют оптические и механические характеристики поверхности, приводят к распылению поверхности набегающими потоками ионов и нейтральных газовых частиц и т. д.

Космический вакуум является и причиной различных специфических объемных теплофизических и электрофизических явлений. Это, во-первых, касается характера теплообмена, когда практически отсутствуют теплопроводность и теплопередача конвекцией (любая теплопередача в космосе затруднена). Преимущественный тип теплообмена в космосе – это теплообмен излучениями.

Хотя наличие космического вакуума обеспечивает естественные защитные условия от возникновения различного рода электрических пробоев и разрядов в электрических цепях (так называемая вакуумная изоляция), однако процессы массопотерь (испарение, десорбция) могут в местах расположения электрических цепей вызвать условия, способствующие возникновению электрических пробоев и разрядов в парах и газах, к появлению поверхностных токов утечки. Это приводит к повреждению электрических цепей бортовых приборов и нарушению их нормального функционирования.

К числу других отрицательных воздействий космического вакуума можно отнести возможность утечки газов и паров как через неплотности в конструкциях, так и путем проникновения через стенки космического аппарата, изменение механических характеристик материалов и т. д. Однако основными и наиболее существенными воздействиями космического вакуума являются массопотери, адгезия, трение в вакууме, а также некоторые тепло- и электрофизические явления.

Явления на межмолекулярном уровне. Любое вещество или материал, помещенные в вакуум, испускают газы, т. е. происходит газовыделение материалов, о котором уже говорилось ранее. В общем случае газовыделение в вакууме складывается из трех отдельных процессов: десорбции газа, адсорбированного на поверхности твердых тел; диффузии и десорбции газа, абсорбированного твердым телом; испарения (сублимации) жидкости (твердого тела). При газовыделениях реальных тел эти процессы протекают одновременно и накладываются друг на друга (рис. 6). В табл. 2 приведено характерное время (tm) образования мономолекулярного слоя на поверхности твердого тела при выделении (десорбции) адсорбированных им молекул воздуха.



Рис. 6. Кинетика массопотерь при газовыделении материалов в вакууме: 1 – потери атмосферных адсорбированных и (или) абсорбированных газов материалом, 2 – потери загрязнений и (или) добавок 3 – истинные потери материала, 4 – общие потери массы образца, F – окончание экспозиции в вакууме, R – восстановление массы образца
  1   2   3   4


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации