2774.Вакуумные технологии

установках КТВУ-40 одновременно используются три катода, а максимальная площадь плоских объектов для нанесения покрытий может достигать 12–15 м2.

В специальных установках, предназначенных для исследований в области космического материаловедения, проводятся

исследования материалов, элементов и узлов КЛА, поверхностных явлений в диапазоне давлений 10–11−10–12 Па, калибровка бор-

товых научных приборов в условиях, приближенных к космическим (при остаточном давлении 10–5–10–6 Па) и прочее. Оборудование Института космических исследований РАН, контрольноиспытательной станции термовакуумных испытаний позволяет проводить температурные испытания в вакууме со стабилизацией в пределах любой заранее заданной температуры от 173 до 373 К с точностью ±2 К, отдельно моделировать процессы (электродинамические, массопотерь, адгезионные, фрикционные), проводить испытания научной аппаратуры на герметичность.

На рис. 8.11–8.13 показан внешний вид различных термо-

вакуумных установок: ТВУ-2,5Г/1,5-0,6, ТВУ-100Г/3,8-0,7,

ТВУ-2,5Г/1,5-0,6 с имитатором солнечного излучения.

Рис. 8.11. Термовакуумная установка ТВУ-2,5Г/1,5-0,6

Технические характеристики ТВУ-2,5Г/1,5-0,6 (рис. 8.11):

объем камеры V = 1 м3;

предельное давление P = 1,3·10–4 Па;

диаметр камеры с азотными экранами D = 0,95 м;

длина камеры L = 1 м;

191

высоковакуумная откачка обеспечивается турбомолекулярным насосом;

степень черноты азотных экранов – 0,9;

температура посадочных мест T = –50 … +60 °C.

Рис. 8.12. Термовакуумная установка ТВУ-100Г/3,8-0,7

Технические характеристики ТВУ-100Г/3,8-0,7 (рис. 8.12):

объем камеры V = 100 м3;

предельное давление P = 1,3·10–4 Па;

диаметр камеры с азотными экранами D = 2,8 м;

длина камеры L = 11 м;

высоковакуумная откачка обеспечивается турбомолекулярными насосами и встроенным гелиевым насосом;

степень черноты азотных экранов – 0,9;

температура посадочных мест T = –50 … +60 °C.

Технические характеристики термовакуумной установки

симитатором солнечного излучения ТВУ-2,5Г/1,5-0,6 (рис. 8.13):

объем камеры V = 1 м3;

предельное давление P = 1·10-6 мм рт.ст.;

диаметр камеры с азотными экранами D = 0,95 м;

длина камеры L = 1 м;

высоковакуумная откачка обеспечивается турбомолекулярным насосом;

192

степень черноты азотных экранов – 0,9;

температура посадочных мест T = –50…+60 °C

световой поток – 1,4 кВт, d = 0,5 мм.

Рис. 8.13. Термовакуумная установка с имитатором солнечного излучения ТВУ-2,5Г/1,5-0,6

Исследования воздействия космической среды на материалы и элементы оборудования КЛА начаты в НИИЯФ МГУ в конце 1961 г. в Лаборатории ядерных реакций. Организация этих исследований в НИИЯФ МГУ была инициирована обращением главного конструктора космической техники С.П. Королева к директору института С.Н. Вернову с просьбой выявить наиболее устойчивые к воздействию космической среды, в первую очередь космической радиации, терморегулирующие покрытия, наносимые на внешнюю поверхность КА для стабилизации теплового режима аппаратов.

Установки НИИЯФ МГУ позволяют проводить исследования работоспособности изделий и материалов при комплексном воздействии с плотностью потока электронов до 108 см–2·с–1, раздельном и циклическом изменении температуры в интервале от –100 до +100 °С при остаточном давлении 10–3–10–5 Па. Установки позволяют воспроизводить электрический режим работы из-

193

делий и измерять их параметры в процессе испытания в течение нескольких тысяч часов. Для создания остаточного давления 10–5 Па в установке ВУКИ-2 используются криосорбционные насосы.

Радиоизотопные источники Sr90–Y90 (2 Ки) были применены для имитации воздействия электронов радиационных поясов Земли на работоспособность изделий в вакуумных установках, имитирующих космические излучения, – ВУКИ-1 и ВУКИ-2 (ИМЕТ) (рис. 8.14).

Рис. 8.14. Вакуумная установка для имитации факторов космического пространства ВУКИ-1: 1 – корпус; 2 – крышка; 3, 4 – фланцы; 5 – алюминиеваямембрана; 6 – нагреватель; 7 – платасизделиями; 8 – испытываемые изделия; 9 – изотопный источник

Радиоизотопный источник Sr90–Y90 с активной зоной диаметром 20 мм вводится в гнездо, изолированное от вакуумной камеры мембраной из алюминиевой фольги. Тепловой режим внутри вакуумных камер регулируется двумя нагревателями или путем охлаждения жидким азотом внутренних стенок камер.

194

Распределение плотности потока электронов от радиоактивного источника Sr90–Y90 по поверхности платы с изделиями

иих энергетический спектр определялись с помощью ядерного многоканального спектрометра и стеклянных дозиметров.

Выполненные на установках ВУКИ-1 и ВУКИ-2 исследования работоспособности изделий электронной техники и, в частности, больших интегральных схем (БИС) показали ее зависимость от газового состава вакуумной среды испытания. Полученные результаты показали необходимость учета в имитационных испытаниях радиационной стойкости материалов и изделий электронной техники, особенно работающих на поверхности КЛА, реальных вакуумных условий и, прежде всего, собственной атмосферы КЛА, которая формируетсявокруг любого изделия космической техники.

Для получения характеристик радиационного окрашивания

имеханического разрушения стекол вполне приемлемым источником, который дает пучок протонов с энергиями 7,8 МэВ, оказался циклотрон НИИЯФ МГУ (рис. 8.15).

Рис. 8.15. Схема вакуумной камеры для облучения образцов стекол на циклотроне: 1, 18 – вакуумные вентили; 2, 17 – сильфоны; 3 – диафрагма для ограничения пучка; 4, 6 – электромагнитные затворы; 5 – диск

стормозящими фольгами; 7 – коллиматор; 8 – цилиндр Фарадея на диске; 9, 10, 11 – механизм вращения диска; 12 – образец; 13 – резервуар

сжидким азотом; 14, 15 – конические шестерни; 16 – съемная крышка;

19–23 – элементы вакуумной системы

195

Измерение спектров пропускания оптических стекол после облучения на циклотроне НИИЯФ МГУ протонами с энергией 6,3 МэВ производилось в зависимости от времени и от флюенса протонов в процессе изотермического отжига при комнатной температуре. Образцы стекол различных марок, закрепленные на диске, помещались в вакуумную камеру, в которую от циклотрона вводился пучок протонов. В результате электрических пробоев внедренного в объем стекла электрического заряда наблюдалось характерное механическое разрушение стеклянных образ-

цов (рис. 8.16).

Рис. 8.16. Механические повреждения в результате электрических пробоев внедренного в объем стекла электрического заряда после облучения протонами с энергией 100 МэВ

Создание в НИИЯФ МГУ ускорителя кислородной плазмы – плазменно-пучкового источника (рис. 8.17) – явилось следующим этапом развития имитационной техники воздействия потоков частиц ионосферной плазмы на материалы внешней поверхности КЛА (рис. 8.18, 8.19). Материалы облучались потоком кислородной плазмы из магнитоплазмодинамического ускорителя с двойным контрагированием разряда, где объемный заряд ионов в пучке нейтрализуется зарядом электронов.

Для моделирования поглощения излучения космического аппарата космосом применяются криогенные системы и установки криогенной вакуумной откачки (рис. 8.20).

196

Рис. 8.17. Схема плазменно-пучкового источника: 1 – полый катод; 2 – ферромагнитный промежуточный электрод; 3 – анод; 4 – питание защитным газом; 5 – пучок кислородной плазмы; 6 – питание кислородом; 7 – вакуумная откачка; 8 – соленоид; 9 – подача ксенона

Рис. 8.18. Плазменная кислородная струя из плазменно-пучкового источникав вакууме

Рис. 8.19. Ореол над хвостовой частью КА «Спейс шаттл», связанный с взаимодействием набегающего потока частиц ионосферной плазмы (О, N2) на его фронтальную поверхность

197

Рис. 8.20. Корпус уникального высоковакуумного криогенного стенда для испытания электрореактивных двигателей космических аппаратов объемом 90 м3 с проектной производительностью криогенных насосов

200000 л/с в исследовательском центре им. М.В. Келдыша

Вгруппу имитаторов космических электромагнитных излучений входят, в основном, имитаторы Солнца и планет. Имитатор Солнца представляет собой достаточно сложную оптическую систему, предназначенную для воспроизведения в рабочей каме-

ре имитатора лучистого потока, имеющего спектр, близкий к спектру Солнца. Имитаторы солнечного излучения в крупных установках содержат большое количество ламп (дуговых или накаливания) в качестве излучающих источников, систему линз для передачи излучения внутрь установки, интегрирующие ячейки и зеркала для создания в установке пучка параллельного излучения, моделирующего солнечное, с условием максимальной равномерности и параллельности излучения в пучке. Имитаторы планет − это оптические устройства, излучающие в инфракрасном диапазоне спектра. Они имитируют собственное излучение планет солнечной системы и Луны.

Имитаторы орбиты – механические устройства, позволяющие программно менять ориентацию испытываемого КЛА отно-

198

сительно потока солнечного излучения в установке. Чаще всего они выполняются в виде двух- и трехстепенных карданных подвесов.

В настоящее время в Европе наиболее востребована крупногабаритная установка имитации космоса модели CST Европейского космического агентства в Тулузе (Франция), в которой совмещены возможности проведения термовакуумных и вакуумнотемпературных испытаний космических аппаратов. Установка состоит из двух сообщающихся между собой камер – основной камеры (вертикального цилиндрического отсека) и дополнительной камеры (горизонтального цилиндрического отсека для размещения систем откачки и имитатора Солнца). Внутренние поверхности обоих отсеков защищены тепловыми экранами, состоящими из криопанелей плоской или изогнутой (волнистой) конфигурации.

Технической особенностью применяемых тепловых экранов является подвижная часть с вертикальными поворотными жалюзями, разделяющая экраны двух камер, что позволяет изолировать экраны обеих камер между собой во время температурных испытаний в вакууме, т.е. без учета воздействия имитатора Солнца. При этом охлаждаемый экран дополнительной камеры может использоваться в качестве азотного криоконденсационного насоса с рабочей температурой 80 К. Охлаждение экранов дополнительной камеры жидким азотом начинают в процессе предварительной откачки при достижении остаточного давления около 1 Па.

Температура панелей экрана основной камеры в ходе этих испытаний может варьироваться в пределах от 100 до 360 К. Имитатор Солнца создает направленный цилиндрический пучок излучения, а двухстепенной имитатор орбиты обеспечивает одновременное вращение испытуемого КЛА вокруг его горизонтальной и вертикальной осей.

199

8.2. Современные зарубежные и российские серийные имитаторы космического пространства

Итальянская группа компаний Angelantoni Industrie S.p.a.

является активным разработчиком и поставщиком аэрокосмической продукции уже более 20 лет, предлагая гражданским и военным заказчикам испытательные системы и комплексы и, в частности, имитаторы космического пространства, которые реализуют два основных воздействующих фактора: давление и температуру. Диапазон полезных объемов камеры имитатора от 350 л (рис. 8.21, а) до камер с диаметром бочкообразной кон-

струкции 5,5 м (106 л) (рис. 8.21, б).

Рис. 8.21. Термовакуумная камера: а – объемом 350 л; б – рекордной вместимости HVT400 MC

Камеры используются для испытания образцов в диапазоне низких и высоких температур, обычно от –100 до +100 °C, в то время как давление поддерживается на уровне 10–1 Па. Пока спутник подвергается испытаниям термоциклирования, радиочастотные сигналы передаются по стенкам камеры через имеющиеся волноводы. Такие испытания могут длиться до месяца.

Эта технология применяется для подтверждения термоматематических расчетов модели спутника. В течение испытаний воссоздается диапазон низких температур, близких к тем, что

200