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

Таблица 2

Зависимость времени образования мономолекулярного слоя для различных давлений (p)
и различных значений коэффициентов прилипания (?)


tm, с

?

 p, Па

2,5

1,0

~10–4

2,5·103

0,1

~10–6

2,5·104

1,0

 ~10–8

2,5·107

0,1

~10–10


Важно отметить, что скорости газовыделения в этих процессах ограничены определенным интервалом значений. Так, например, когда давление насыщенных паров испаряющегося вещества близко к парциальному давлению паров этого вещества, скорость газовыделения стремится к нулю, и наоборот, когда парциальное давление пренебрежимо мало, эта скорость близка к максимальному значению. В случае чистых (однокомпонентных) веществ количество испаряющегося (сублимирующего) вещества пропорционально увеличивается со временем. Для многокомпонентных же веществ картина существенно усложняется, и процесс испарения (сублимации) уже не подчиняется такой зависимости.

В реальном космическом вакууме процесс массопотерь нередко сопровождается химическими превращениями (например, окислением), и тогда скорость газовыделения будет определять уже не общее давление газовой среды, а парциальное давление кислорода.

В космическом вакууме встречаются условия, при которых поверхности твердых тел становятся весьма чистыми (вплоть до атомночистых1). Данное обстоятельство может реализовываться в различных процессах: при десорбции адсорбированных газовых пленок с поверхности твердых тел; при разрушении и удалении окисных пленок в результате трения или при непосредственном контакте твердых тел, а также в результате некоторых химических и физико-химических процессов.

1 Атомночистыми условно называются поверхности, у которых на 1000 атомов основного вещества встречается один посторонний атом (загрязнения).

Эффективность всех этих процессов повышается вследствие увеличения температуры в зоне контакта твердых тел из-за ухудшения теплопередачи в космическом вакууме, а также вследствие присутствия различных космических излучений, действующих на поверхностные слои твердых тел.

Надо сказать, что восстановлению защитных окисных пленок в условиях космического вакуума препятствует ряд факторов, и в первую очередь незначительное содержание кислорода, а иногда и полное его отсутствие в космическом вакууме. В результате возрастает адгезия (прилипание) веществ и материалов, в частности когезия, а при наличии больших пластических деформаций (например, вследствие трения) могут происходить заедание и холодная сварка2 в точках контакта.

2 Сварка называется холодной в отличие от обычной («горячей»), ибо происходит при пониженных (по сравнению с обычными) температурах.

Вспоминается такой опыт. В лабораторную установку сверхвысокого вакуума были помещены две одинаковые металлические шестеренки, введенные между собой в зацепление. Когда эта пара была приведена во вращение при рабочем давлении в установке порядка 10–6 Па, то уже через непродолжительный промежуток времени стали ощущаться какие-то неполадки. После вскрытия вакуумной камеры обнаружилось, что вместо двух одинаковых шестеренок имеются два гладких валика (совершенно без зубьев) различных диаметров. Виновником оказалась холодная сварка, когда зубья с одной шестеренки срезались и заполняли собой впадины у другой шестеренки.

При адгезии в результате межмолекулярного взаимодействия возникает связь между поверхностными слоями двух разнородных твердых тел, когда они соприкасаются друг с другом. Частным случаем адгезии является когезия, когда соприкасающиеся тела являются одинаковыми. Адгезия значительно усиливается при полном контакте по всей площади соприкосновения, и именно это объясняет холодную сварку металлов.

Многие металлы при контактных взаимодействиях и в случае удаления защитных пленок с их поверхностей подвержены холодной сварке в космическом вакууме. Особенно это свойственно тем металлам, которые способны (по крайней мере частично) к образованию твердого раствора или сплава. Примером здесь могут быть металлы, обладающие кристаллической решеткой кубического типа.

Следует отметить, что адгезии металлов в вакууме препятствует явление адсорбции остаточных газов на контактирующих поверхностях твердых тел. Адсорбирующиеся на чистых поверхностях остаточные газы (особенно кислород и этилен) способствуют снижению эффективности действия сил, вызывающих адгезию.

Основной механизм трения в вакууме (при отсутствии смазочных пленок) – это адгезия очень малых контактных поверхностей с последующим разрушением образованных при этом адгезионных мостиков связи при сдвиге одной поверхности относительно другой. При атмосферном давлении поверхностные пленки (в частности, окисные пленки на металлах) уменьшают число и прочность адгезионных связей, снижая тем самым коэффициент трения.

Чрезвычайно низкая скорость восстановления поверхностных пленок в космическом вакууме за счет окисления, вызванная очень низким содержанием кислорода в окружающей среде, увеличивает трение и способствует большему износу материалов. На рис. 7 показана скорость восстановления окисной пленки на железе в зависимости от продолжительности пребывания в вакууме. Очевидно, что в условиях сверхвысокого вакуума (при давлении менее 10–9 Па) восстановление окисных пленок требует внушительных промежутков времени (сутки, месяцы). На рис. 8 показана зависимость коэффициента трения от давления окружающей среды при трении скольжения алмаза по алмазу. Отметим, что критические условия устанавливаются в области давлений 10–5 – 10–6 Па.


Рис. 7. Зависимость времени, необходимого для образования гипотетической пленки окисла железа (толщиной 0,1 нм) на поверхности железа от кислородного давления





Рис. 8. Зависимость установившегося значения коэффициента трения (f) алмаза по алмазу в вакууме от давления

Последнее касается случая «открытых» узлов трения. В случае же «закрытых» узлов трения (например, шарикоподшипников и т. п.) в них следует ожидать появления локального «микроклимата» в рабочей зоне трения, что в ряде случаев приводит к более слабому трению при работе узла в космическом вакууме. Для ослабления трения используется целый арсенал смазочных материалов: жидкие и консистентные, но чаще всего так называемые «сухие» смазки на основе дисульфида молибдена, пленок металлов и т. п.

Теплофизические и электрофизические явления. Как уже отмечалось, в космическом вакууме передача тепла происходит только путем лучистого теплообмена и практически отсутствует теплообмен за счет конвекции и теплопроводности среды. Передача тепла за счет теплопроводности затруднена даже через соприкасающиеся между собой части космического аппарата, поскольку из-за шероховатости поверхностей на них имеется множество микронеровностей с вакуумными промежутками между ними.

На околоземной орбите теплопередача за счет теплопроводности газа все же имеет место не в столь разреженной среде земной атмосферы. Однако на достаточно высоких орбитах, в более разреженных слоях, теплопроводность воздуха сильно уменьшается с понижением атмосферного давления. Например, при давлении порядка 10–2 Па теплопроводность воздуха равна 0,01% теплопроводности воздуха на уровне моря (при так называемом нормальном атмосферном давлении).

Вообще говоря, из кинетической теории газов известно, что теплопроводность газа в широком диапазоне не зависит от давления. Но когда средняя длина свободного пробега молекул газа становится больше характерных размеров системы (т. е. космического аппарата), теплопроводность начинает пропорционально уменьшаться с уменьшением давления. Затем наступает молекулярный режим теплопередачи, когда теплопроводность газа является пренебрежимо малой величиной.

Теплообмен между газовой средой и твердой поверхностью характеризуется так называемым коэффициентом аккомодации тепловой энергии, который существенно зависит от состояния поверхности. Этот коэффициент сильно различается при отсутствии и, наоборот, наличии адсорбированных, окисных или других подобных пленок на поверхности космического аппарата; например, для гелия на «чистом» вольфраме коэффициент аккомодации тепловой энергии равен 0,017, а на вольфраме с адсорбированной пленкой – 0,5. Поэтому от того, есть или нет такая пленка на поверхностях, зависит также тепловой режим космического аппарата.

Таким образом, массопотери и газовыделение материалов космического аппарата в космическом вакууме существенно изменяют свойства, связанные с теплофизическими характеристиками материалов. Претерпевают изменения и диэлектрические характеристики материалов, в частности электропроводность.

На поверхностях диэлектриков в космическом пространстве могут накапливаться значительные электрические заряды, что способствует возникновению разрядов между токонесущими частями. Наиболее опасной зоной давлений для этого является интервал значений 1 – 100 Па. Кроме того, электропроводность поверхностных слоев (в зависимости от их физического состояния) может приводить к поверхностным токам утечки.

Когда процессы ионизации отсутствуют и каждая молекула газа остается электрически нейтральной, газ в целом является совершенным изолятором, и в этом случае ток в межэлектродных промежутках всегда отсутствует. При приложении высокого напряжения некоторые электроны начинают вырываться из атомов молекул и в какой-то момент существуют самостоятельно в межэлектродном промежутке, пока не попадут на электроды или пока не встретятся с другой молекулой (атомом) и в результате рекомбинируют. Если при этом носители тока (электроны) образуются чаще, чем исчезают (рекомбинируют), то газ в межэлектродном промежутке становится электропроводящим.



Рис. 9. Зависимость значения электрического напряжения пробоя UB от произведения (pd)


На рис. 9 представлены зависимости напряжения электрического пробоя от величины произведения давления газа на межэлектродное расстояние, известные как графические отображения закона Пашена (кривые Пашена). Эти кривые лишь качественно иллюстрируют явление, поскольку реальная такая зависимость во многом определяется площадью поверхности и материалом электродов. Помимо этого при испарении с последующей конденсацией вещества на более охлажденных участках неизолированных электрических цепей в космическом вакууме возникают токи утечки, тем самым нарушая режим работы электронных схем.

К числу условий космической среды, способствующих возникновению разрядов и пробоев в бортовых приборах космического аппарата, следует отнести также наличие различных космических излучений (как электромагнитных, так и корпускулярных).

Таким образом, при эксплуатации электронного и электротехнического оборудования космических аппаратов в условиях космического вакуума появляются токи утечки, разряды, пробои и другие нежелательные электрофизические явления. Поэтому для нормальной эксплуатации электронные блоки и узлы космического аппарата обычно прикрывают полугерметичным экраном («закрытые» узлы), который, помимо прочего, защищает их и от воздействия космических излучений и обеспечивает лучший тепловой режим.

Правда, следует сказать, что при работе аппаратуры в космическом вакууме будет также понижаться и давление в полости под такими экранами, и в некоторый момент оно может достичь уровня 1 – 100 Па, соответствующего минимуму кривой Пашена (см. рис. 9). Если в этот момент в составе бортовой аппаратуры имеются включенные высоковольтные межэлектродные промежутки, то в них могут возникать пробои и разряды, опасные для работы всей аппаратуры в целом.

К сожалению, расчеты условий пробоя в полугерметичных полостях затруднены тем, что неопределенной является конфигурация каналов миграции газов в космическом вакууме, а кроме того, одновременно могут существовать испарения газовых частиц различной природы. В настоящее время надежно оценить работоспособность электронных схем и электрических устройств космического аппарата можно лишь экспериментально, используя лабораторные вакуумные установки.

Рассмотренные здесь различные явления, список которых можно было бы продолжить, иллюстрируют собой отрицательное воздействие космического вакуума. Однако надо подчеркнуть, что условия космического вакуума могут нести и полезную службу. Ранее уже говорилось об использовании космического вакуума в качестве своеобразного «насоса» для откачки вещества из вакуумных установок. Кроме того, космический вакуум существенно облегчает создание надувных и вспенивающихся конструкций в космическом пространстве, управление положением и стабилизацией космических аппаратов (на основе диффузионных и сублимационных процессов) и т. д.

Космический вакуум и материалы космических аппаратов. От длительного пребывания в космическом вакууме также заметно меняются механические (объемные и поверхностные), оптические и другие характеристики материалов космических аппаратов. При предельно низких давлениях в космическом вакууме наружные и внутренние поверхности раздела в материалах могут нарушаться, в результате возникают либо микроскопические поверхностные трещины, либо внутренняя (так называемая интеркристаллитная) коррозия.

Надо сказать, что объемно-механические свойства материалов (усталостная прочность и т. д.) претерпевают изменения и вследствие изменений свойств поверхностных слоев. Причем ощутимое воздействие космического вакуума на механические свойства материалов космических аппаратов возникают в результате отсутствия окисных и других поверхностных защитных пленок.

Вследствие исчезновения защитных газовых и окисных пленок, а также в результате сублимации поверхностных слоев на толщину, близкую к длинам волн электромагнитного излучения, равным 300 – 1000 нм, меняется шероховатость поверхностей и как следствие их оптические характеристики (в частности, степень поглощения солнечного излучения и степень черноты). Причем органические краски подвержены таким изменениям в большей степени, чем неорганические.

Об ухудшении этих оптических свойств материалов свидетельствуют и многочисленные эксперименты, проводимые как в космосе, так и в земных лабораториях. Например, лабораторные исследования указывают, что при действии ультрафиолетового излучения с длиной волны около 220 нм на некоторые терморегулирующие покрытия при давлении порядка 10–6 Па белые покрытия уменьшают свою отражательную способность.

Кроме того, при движении космического аппарата в солнечном ветре или водородной короне Земли водородные ионы способны проникать в поверхностные слои материалов. В результате последние обогащаются водородом (при насыщении до 10%), что также вызывает изменение оптических характеристик материалов.

При орбитальном движении в достаточно плотных слоях верхней атмосферы Земли, а также под действием бомбардировки заряженными частицами космической радиации может происходить сильное плазмохимическое разрыхление материала поверхностей космических аппаратов и его распыление в окружающее пространство. Этот процесс особенно проявляется для передних (по ходу движения) частей космических аппаратов. Правда, слой распыленного материала обычно мал и не превышает в толщине 5 – 40 нм в год.

Воздействие космического вакуума на материалы, естественно, учитывается при выборе материалов для космических аппаратов. В общем случае при конструировании космических аппаратов, их систем и приборов используются материалы достаточно легкие, прочные, радиационно стойкие и имеющие низкое газовыделение. Кроме того, к материалам для пилотируемых космических аппаратов предъявляются дополнительные требования по невозгораемости и нетоксичности. Для материалов некоторых космических аппаратов требуется также коррозионная стойкость и отсутствие магнитных свойств.

Наиболее часто в качестве материалов для космических аппаратов, их узлов и блоков используются алюминиевые и в меньшей степени титановые сплавы. Магниевые сплавы, хотя и более легкие, чем алюминиевые, однако менее предпочтительны, так как обладают меньшей коррозионной стойкостью. Эти и некоторые другие недостатки магниевых сплавов не исключают полностью их использование для космических нужд.

Сталь, хотя она и в три раза более тяжелая, чем алюминиевые сплавы, тем не менее может быть сравнима с ними по удельным прочностным характеристикам. Обычно используются нержавеющие стали (хромоникелевые), причем предпочтение отдается немагнитным аустенитным формам. Углеродистая сталь, пассивированная кадмиевым покрытием, менее предпочтительна, поскольку в космическом вакууме наблюдается рост «усов» из кадмия, фрагменты которых, перемещающиеся в невесомости, могут попасть на электрические цепи и вызывать их замыкание.

Широко используется в конструкциях космических аппаратов сотовая панель в виде сэндвича. Она образуется двумя тонкими листами алюминиевого сплава («кожа»), между которыми помещены гексагональные ячейки (соты), изготовленные из фольги, а также алюминиевого сплава. Сотовые ячейки склеиваются между собой, и приклеиваются к «коже» синтетической смолой. Стенки ячеек перфорированы, для того чтобы дать выход газам изнутри панели. Однако такой конструктивный элемент, несмотря на его легкость и сравнительную прочность, является источником большего газовыделения, чем обычный плоский металлический лист.

Широко также используются неметаллические композиционные материалы, такие, например, как угольный стекловолоконный слоистый пластик. Скорости газовыделения у таких материалов примерно такие же, как у любых других материалов, содержащих около 50% эпоксидной смолы. Для таких материалов весьма нежелательно их насыщение влагой, однако этого можно избежать, если хранить изделия в сухом газе (например, азоте).

Наконец, в конструкциях космических аппаратов широко используются разнообразные полимерные пластики, в том числе алюминированные пластиковые (майларовые) фольги, краски на полимерной основе, эластомерные уплотнения из фторуглеродной резины типа «Витон» и т. д. Среди других неметаллических материалов используют, например, керамические теплоизолирующие облицовочные плитки (для уменьшения нагрева космического аппарата при входе в плотные слои атмосферы), стеклянные керамики и т. п.

Встречающимся в космических аппаратах разнообразным механизмам (приводам солнечных панелей, антенн, инструментальных штанг и др.) приходится работать в космическом вакууме. Поскольку обычные масла я смазки здесь не пригодны, то за последние годы были разработаны специальные твердые смазки на основе дисульфида молибдена и олеофильного углерода, а также применен для этой цели ионно-напыленный свинец.

Кроме того, были разработаны собственно подшипниковые композитные материалы на основе сложных стекловолоконных политетрафторэтиленов, угольных слоистого стекловолоконного полиацетата и полиамида. Шарикоподшипники с твердыми смазками, например, свыше 7 лет непрерывно проработали в лабораторных вакуумных установках, а также успешно эксплуатировались в космическом вакууме.

Лабораторное моделирование космического вакуума. Ранее неоднократно отмечалось, что часто оценить воздействие космического вакуума на материалы космических аппаратов удается только при моделировании космического вакуума в земных лабораториях. Следует отметить, что моделирование отличается от имитации, когда тождественно воспроизводятся космические условия. В случае лабораторного физического моделирования условия могут существенно отличаться от действительных, смещаясь в сторону менее жестких ограничений на параметры среды (например, с использованием более высоких давлений в вакуумных установках, чем в космическом вакууме).

Главная цель такого моделирования – определить реакцию исследуемой космической системы на воздействия условий космического пространства. При лабораторном (физическом) моделировании параметры вакуумной установки варьируются экспериментатором по желанию, в то время как при имитационных, так и в космических экспериментах эти параметры предопределены и жестко фиксированы. Тем не менее закономерности, выявленные в результате лабораторного моделирования, позволяют ориентировочно прогнозировать поведение исследуемой системы в самых разнообразных условиях космического полета.

Воздействие космического вакуума на материалы и элементы конструкций космического аппарата можно условно разделить на следующие виды: механические, теплофизические, электрофизические и воздействия на межмолекулярном уровне. Последние три вида воздействий обязательно требуют использования вакуумных условий при моделировании. При этом если для объемных теплофизических и электрофизических воздействий важным параметром является концентрация частиц в объеме, то для поверхностных воздействий на межмолекулярном уровне – поток частиц, падающий на поверхность (или исходящий от нее).

Многообразие физических условий в космосе, а также изучаемых процессов требует дифференцированного подхода при выборе различных условий и параметров лабораторного моделирования: параметров вакуумных установок (давления, производительности систем откачки и т. д.); типов и систем откачки (внешней системы, внутренней, «масляной», «безмасляной» и т. д.); способов моделирования (вакуумного или комплексного); конструкции установок и т. д.

Конечно, в земной лаборатории нельзя воспроизвести все многообразие условий космической среды, в частности, такие ее характеристики, как низкая концентрация частиц газа (менее 2,7·1025 м–3); широкий интервал скоростей воздействующих частиц (102 – 106 м/с); низкий коэффициент возврата (10–4 – 10–6); неограниченная «поглощаемость» вещества космическим пространством; существование самого разнообразного комплекса излучений (в том числе и корпускулярных).

Однако, как оказалось, для всех без исключения процессов и явлений, характерных для космического вакуума, существует свой определенный граничный интервал значений давления среды. Это обстоятельство позволяет использовать в качестве основных критериев моделирования ограниченные интервалы давлений. В табл. 3. приведены некоторые типы моделирования воздействий космического вакуума с характерной областью давлений для каждого из этих типов моделирования.

Обычно при конкретном типе моделирования одно из этих ограничений на давление рассматривают как общее условие, а остальные ограничения, а также некоторые дополнительные факторы (низкий коэффициент возврата, большая скорость откачки, превышение средней длины свободного пробега молекул над характерным размером вакуумной камеры) – как вспомогательные условия. Поскольку для изучения механических воздействий космического вакуума общим условием является перепад давления на величину порядка 105 Па, то в этом случае вообще не обязательно проводить испытания в вакуумной камере (достаточно, чтобы соблюдался заданный перепад давления).

При моделировании воздействий космического вакуума может исследоваться какой-либо конкретный процесс (явление) или ряд частных процессов, когда проводятся комплексные вакуумно-температурные испытания отдельных узлов космического аппарата или его в целом. И в том и в другом случае моделирование воздействий космического вакуума основано на некотором минимально возможном рабочем давлении для исследуемых процессов. Эти ограничения на рабочее давление, собственно, и являются основными критериями моделирования, которые в первом случае называются частными, а во втором главным критерием (т. е. при комплексных испытаниях).

Кроме того, при моделировании воздействий космического вакуума, помимо частного или главного критерия, касающегося значения рабочего давления, требуется соблюдать и другие специфические условия (коэффициент возврата и т. д.). Особое внимание необходимо обращать на недопустимость загрязнения газового состава в вакуумной камере парами рабочих жидкостей (например, насосов) и органическими продуктами, которых нет в космическом вакууме.

Следует отметить, что частный критерий моделирования не всегда определяется ограничениями на рабочее давление, указанными в табл. 3. Если в качестве главного критерия обычно достаточно использовать рабочее давление в камере порядка 10–6 – 10–7 Па, то при исследовании того или иного частного процесса порою принципиально важным является изучение этого процесса при переменном давлении. В такой ситуации частным критерием будет наинизшее из этого интервала давлений, и оно, естественно, не всегда совпадает с пороговым значением давления, указанным в табл. 3.

Таблица 3


Ограничение на рабочее давление при моделировании различных физических явлений в космическом вакууме


Физическое моделирование

Давление, Па

Уменьшение механической прочности герметических корпусов
космического аппарата при воздействии характерного перепада давлений

~103

Исключение воздушного демпфирования при вибрациях

? 0,1

Теплопередача излучением

? 10–2

Диэлектрические силы и разряды

? 10–3

Изучение конструктивной прочности, ползучести, внутреннего
демпфирования и других свойств материалов (в зависимости от
давления насыщенных паров у исследуемых материалов)

? 10–4

Изучение работы ионных и плазменных двигателей

?10–5

Холодная сварка

?10–5

Изучение адсорбции, химического взаимодействия остаточного
газа с материалом поверхности, «сухого» трения

<10–5 – 10–12


Дело в том, что некоторые типы воздействия космического вакуума не всегда представляют собой стабилизированный процесс при более низких (или более высоких) давлениях, чем их пороговое значение (хотя многие из исследуемых параметров, как правило, в этом случае стабилизируются). Исследования в режиме переменного давления (их называют экспериментальными в отличие от аналитических – при соблюдении определенного давления) позволяют прогнозировать характер протекания процесса в космическом вакууме, в том числе и при других значениях исследуемых параметров, отличных от моделируемых.

Моделирование воздействий космического вакуума может проводиться с использованием и других вспомогательных режимов: переменности температурных условий и времени протекания исследуемого процесса. Надо сказать, что характерные времена ряда процессов (массопотерь, фрикционных и др.) в космическом вакууме порою весьма значительны (несколько месяцев или лет). Поэтому часто бывает желательным ускорить тот или иной процесс при его лабораторном моделировании.

Ускорение моделируемого процесса может достигаться за счет повышения температуры (но в пределах теплостабильности материалов), давления и потока газов. Однако следует сказать, что во многом рассматриваемые здесь вопросы моделирования космического вакуума носят лишь предварительный характер и требуют еще своей проработки. В частности, это касается и проблемы ускорения моделируемых процессов. Пока здесь намечены только некоторые подходы к ее решению.

Общим требованием к методам ускорения моделируемого процесса является стационарность его протекания, поскольку только в этом случае можно экстраполировать закономерности, выявленные при моделировании, на реальный процесс, протекающий в условиях космического вакуума. В частности, согласно этому требованию минимальная продолжительность вакуумных испытаний должна несколько превышать время становления (релаксации) исследуемого процесса (или явления).

К сожалению, определение времени релаксации какого-либо частного процесса затруднено рядом причин. Релаксация процесса может быть связана не только с непосредственными условиями космического вакуума, но и определяться локальными условиями, существующими в достаточно «загазованных» полугерметических объектах (например, в рабочих зонах шарикоподшипников). Кроме того, требуется дифференцированный подход при рассмотрении каждого процесса в отдельности, в частности, при моделировании массопотерь необходимо раздельно рассматривать процессы десорбции, испарения, сублимации, диффузии и т. д.

В заключение познакомимся с некоторыми типами вакуумных установок, использующихся при моделировании воздействий космического вакуума. Основными элементами всех этих установок являются вакуумные и криогенные системы, а также имитаторы электромагнитных излучений Солнца, Земли и других источников. Как уже указывалось, исследованиям и испытаниям в установках, моделирующих некоторые воздействия космического вакуума, могут подвергаться не только отдельные материалы, узлы и элементы космических аппаратов, но и сами эти аппараты целиком.

Начнем рассмотрение с установок тепловакуумных испытаний (рис. 10, а), предназначенных, собственно говоря, для исследования лишь одного параметра – температуры. На основании результатов таких испытаний методами математического моделирования проводятся затем расчеты температур, свойственных различным частям космического аппарата при его разных положениях на орбите (при прохождении через тень Земли, при разных ориентациях относительно Солнца, Земли и т. д.).



Рис. 10. Схемы модулирующих установок для проведения тепло-вакуумных (а) и вакуумно-температурных (б) испытаний


В ходе этих испытаний, проводимых последовательно сначала на прототипах, а затем на летных вариантах космического аппарата с полным функционированием всех его систем, тепловая модель космического аппарата доводится до приемлемых температур изделий (обычно в пределах 283 – 300 К). Рабочее давление в установках для тепловакуумных испытаний порядка 10–3 – 10–4 Па.

Более низкое рабочее давление свойственно установкам вакуумно-температурных испытаний (рис. 10, б), когда исследуется функционирование космических аппаратов в, экстремальных температурных режимах (обычно в интервале 200 – 360 К) и при достаточно низких давлениях (менее 10–6 Па). Как показывает опыт, склонные к отказам элементы космического аппарата с большой вероятностью обнаруживаются в ходе таких испытаний.

Оба рассмотренных типа установок обычно являются достаточно крупногабаритными (объемом порядка 103 – 105 м3), чтобы в них смогла свободно разместиться основная часть космического аппарата (или он целиком). Недавно появилась возможность сочетать оба типа испытаний в одной и той же установке. В частности, подобная большая моделирующая установка используется в Тулузе (Франция) Европейским космическим агентством.

Помимо установок тепловакуумных и вакуумно-температурных испытаний космических аппаратов существует множество установок специального назначения, в которых исследуются бортовые научные приборы, скафандры и другое снаряжение космонавтов, новые типы космических двигателей, а кроме того, моделируются различные воздействия космического вакуума на системы, элементы и материалы космических аппаратов. К такого рода установкам можно отнести и установки, где хранятся или исследуются образцы лунного грунта.

Как правило, в этих установках специального назначения, помимо космического вакуума, моделируются по крайней мере еще два каких-либо фактора космической среды (радиационное облучение, температурный режим и т. д.). Следует отметить, что установки подобного типа по своим размерам уступают тепловакуумным и вакуумно-температурным и не превышают в объеме 1 – 10 м3.

1   2   3   4


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