Учебное издание

Исследование уноса массы вещества элементов гэс в условиях воздействия потоков высокоскоростных частиц

Методические указания к лабораторной работе №3

Составитель: Семкин Николай Данилович

Самарский государственный аэрокосмический университет

имени академика С. П. Королева,

443086 Самара, Московское шоссе, 34

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С. П. КОРОЛЕВА

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

Исследование уноса массы вещества

элементов ГЭС в условиях воздействия

потоков высокоскоростных частиц

Методические указания к лабораторной работе №3

САМАРА 2012

10¹¹ см^-2с^-1;

φ₁ - плотность потока ионов кислорода в эксперименте, равная 5-10¹²см^-2с^-1.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные процессы, обуславливающие потери массы материалов космического аппарата.

2. В каких областях космического пространства следует ожидать наибольшие потери массы материалов в процессе их распыления заряженными частицами?

3. Поясните принцип работы кварцевых микровесов.

4. Какова роль цеолитовых насосов в установке "Плазма"?

Литература

1. Козлов Л. В., Нусинов М. Д., Акшпин А. И. и др. Моделирования тепловых режимов космического аппарата, и окружающей его среды.- М.- Машиностроение, 1971, 70 с.

2. Акишин А. И., Новиков Л. С. Воздействие окружающей среды на материалы космической техники.- М.: Знание, 1983,64 с.

3. Михайлов М. М., Рылкин Ю. И. Установка для исследования свойств материалов, имитирующая условие космоса. ПТЭ, 1991, №3, с. 180.

14

Исследование влияния потока высокоскоростных частиц на характеристики элементов конструкции космического аппарата

Задание

1. Ознакомиться с краткими теоретическими положениями о влиянии факторов космического пространства на потерю массы материалов, создание собственной внешний атмосферы космического аппарата и загрязнение его поверхностей.

2. Ознакомиться с теоретическими положениями зависимости изменения частоты генератора при изменении массы кварцевой пластины.

3. Освоить методику измерения потерь массы материалов методом кварцевых микровесов.

4. Изучить принцип работы, устройство и инструкцию по эксплуатации установки «МЕТЕОР», предназначенной для исследования потерь массы материалов под действием высокоскоростных частиц низкоэнергетических ионов кислорода и других факторов.

5. Экспериментально определить зависимость массы, осевшего на кварцевую пластину вещества, от времени облучения материала ионами кислорода.

6. Объяснить полученные результаты.

Собственная внешняя атмосфера космического аппарата и загрязнение его поверхностей

В космическом пространстве летательный аппарат находятся не в "стерильном", а в "возмущенном" вакууме. Возмущение возникает за счет создания вокруг корабля дополнительной концентрации частиц при протекании различных процессов, к которым в первую очередь следует отнести десорбцию газов, сублимацию и эрозию материалов внешних поверхностей, утечку газов из реактивных двигателей. Это приводит к различным нежелательным последствиям, к которым относится: повышение давления вокруг корабля на несколько порядков, загрязнение внешних поверхностей, световое излучение собственной атмосферы и др.

В вакууме материалы выделяют газы и пары, находящиеся на поверхности или в объеме. Адсорбированные на поверхности газы могут находиться в состоянии "слабой связи" - физически сорбированные газы за счет сил взаимодействия Ван-дер-Вальса, и "сильной" связи - химически сорбированные газы за счет химической связи (на электронном уровне) с поверхностными атомами материала. Растворенные в объеме газы сначала диффундируют к поверхности, а затем испаряются.

Скорость неравновесного испарения характеризуется массой вещества, удаляющегося с единицы поверхности в единицу времени и зависит, от температуры поверхности, давления насыщенного пара вещества и его давления над поверхностью. При увеличении температуры поверхности и при уменьшении давления пара над поверхностью скоростьиспарения возрастает.

3

Потеря массы за счет испарения в космическом вакууме для реально используемых конструкционных материалов обычно очень незначительна и поэтому не приходится учитывать уменьшение толщины материалов. Исключение составляют те случаи, когда материалы работают при высоких температурах, или применяются в конструкциях в виде тонких пленок и покрытий. Однако процессы испарения и сублимации существенно могут изменить электронное состояние поверхности и приповерхностных слоев за счет удаления сорбированных газов, изменения микрорельефа поверхности в результате неравномерного испарения, что приведет к изменению электрофизических, оптических, механических и других характеристик материалов.

Существенное влияние на процесс испарения материалов в космическом вакууме оказывает электромагнитное излучение Солнца (главным образом в ультрафиолетовом диапазоне) и ионизирующая радиация: протоны и электроны радиационных поясов Земли, плазма солнечного ветра, солнечные вспышки, ионосферная плазма, галактические космические лучи, заряженные частицы искусственных радиационных поясов Земли и другие. Под действием излучений происходит разложение материалов внешних поверхностей и удаление продуктов этих реакций в вакуум. Роль вакуума в этом случае заключается главным образом в том, что он смешает равновесие и удаляет продукты реакции.

Если заряженные частицы имеют большую энергию и большой пробег, то продукты реакции образуются в объеме материала, под действием радиацнонно-стимулированных процессов диффундируют к поверхности и испаряются. Закономерности процесса испарения в этом случае такие же, как и при испарении частиц в вакууме без облучения.

В случае действия тяжелых ионов или нейтральных атомов и молекул на материалы преобладающим является процесс эрозии или распыления. В космическом пространстве тяжелые ионы заряженных частиц содержатся в ионосфере Земли - в верхней атмосфере Земли.

Средняя тепловая энергия атомов и молекул определяется температурой, на высотах 200-300 км при температуре (1-2) 10³ К она составляет 0,1-0,3 эВ. Однако по отношению к летательному аппарату, движущемуся со скоростью 8 км/с, кинетическая энергия частиц набегающего газового потока достигает 5-10 эВ (в зависимости от массы частицы). Дополнительно к этой энергии ионизованные частицы верхней атмосферы обладают потенциальной энергией, затраченной на ионизацию, которая составляет 10-20 эВ, а также энергией возбуждения, которой обладают и нейтральные частицы.

Суммарная энергия, передаваемая поверхности КА частицей набегающего газового потока, достигает 10-25 эВ. Поскольку пороговая энергия таких процессов как химические реакции, диссоциация, ионизация, рекомбинация лежит в пределах до 10 эВ, то на внешних поверхностях под действием частиц верхней атмосферы протекают различные физико - химические процессы.

4

12. Взвесить образец на аналитических весах, определить поправочный коэффициент как отношение массы образца до и после обработки в вакуумной камере.

13. Установить фланец с держателем 11 в установку "МЕТЕОР".

Внимание! Выполнение работы на установке осуществляется согласно инструкциям по эксплуатации и техники безопасности.

Работа с источником ионов производится совместно с преподавателем.