Оптико-электронные приборы астроориентации и навигации космических аппаратов. Учебное пособие

Глава 9 Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым

подвергаются ОЭП астроориентации и навигации КА на различных этапах своего жизненного цикла

Условия работы систем КА связаны с влиянием глубокого вакуума, с высоким уровнем радиации, с метеорной опасностью, с воздействием электромагнитных излучений,со своеобразными тепловыми режимами,а также с широким диапазоном механических нагрузок – внешних воздействующих факторов (ВВФ).

К ВВФ относятся изменяющиеся во времени сосредоточенные и распределенные силы, моменты сил, ускорения, виброударные ускорения, акустическое давление и некоторые другие воздействия.

После выхода в космос КА создает вокруг себя облако газа из испаряющихся конструкционных материалов, рабочего тела двигателей СУД, воздуха, выходящего из внутренних объемов отсеков и из пористых материалов. Во времядлительногопребыванияКАвглубокомвакуумепостоянноиспаряются поверхностные слои конструкционных материалов, покрытия и смазки.

Космическая радиация влияет на физико-химическую структуру конструкционных материалов КА, их прочность, агрегатное состояние и вызывает ионизацию среды, где функционируют приборы.

Плазма магнитосферы приводит к возникновению внутренних зарядов в элементах конструкции КА (в основном изготовленных из диэлектриков). Этоприводиткихповреждениювмоментэлектростатическихразрядов(ЭСР).

Метеорное воздействие вызывает эрозию наружных поверхностей КА, изменяет их оптические характеристики и, следовательно, тепловой режим. Возможны пробои оболочек герметичных отсеков со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Большие перегрузки при выведении КАна орбитуи особенно при спуске на поверхность планеты требуют специальных конструктивных решений.

Невесомость усложняет работу систем с жидкими и газообразными рабочими телами, требует учета смачиваемости, поверхностного натяжения жидкостей, отсутствия свободной конвекции.

В условиях космического вакуума не исключается холодная сварка поверхностей пар трения механизмов и контактов электрических разъемов.

72 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

Для КА необходима высокая надежность и стабильность работы в столь своеобразных условиях в течение промежутков времени, измеряемых годами. Требуется подробный анализ влияния указанных факторов на элементы конструкции и поиск таких конструктивных решений, при которых минимизируется их разрушающее воздействие.

На разных этапах своего жизненного цикла КА и входящие в него системы подвергаются воздействию различных разрушающих воздействий, втомчисле ВВФ,которые такженеобходимо учитывать приразработке космических приборов (КП). Условно эти нагрузки можно разделить на типы, представленные в таблице 11.

Таблица 11

Условная классификация разрушающих воздействий, которые возникают на различных этапах жизненного цикла КА и обусловленные особенностями условий его эксплуатации

Окончание таблицы 11

Неотъемлемой и составной частью разработки КА является обеспечение стойкости его конструкции и аппаратуры к разрушающим воздействиям среды эксплуатации, включая ВВФ.

Под стойкостью к ВВФ понимается способность КА и его СЧ сохранять требуемые характеристики в процессе или после воздействия ВВФ [1, 3, 5, 15, 23, 24, 26, 33].

9.1. Воздействие глубокого вакуума на элементы конструкции КА. Особенности выбора конструкционных материалов с учетом их работы в условиях глубокого вакуума

Космическое пространство, в котором во время орбитального полета функционируют КА, весьма различается по своим физическим характеристикам. Это и верхние слои атмосферы Земли, других планет, некоторых их спутников и кометных ядер,этои межпланетноепространство,это,наконец,

74 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

имежзвездноепространство.Всвязисэтимявляютсяразличнымииусловия космического вакуума, в которых работают системы КА.

Например, астрономические наблюдения показывают, что межзвездное пространство в областях ионизованного водорода характеризуется средней концентрацией частиц около 1×106 м–3 и кинетической температурой порядка 100 К.

Другие характеристики имеет вакуум 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 активности Солнца.

Верхние слои внешней атмосферы Солнца, солнечной короны имеют кинетическую температуру порядка 1×106 T, что обеспечивает выброс (эжекцию) частиц из короны в околосолнечное пространство со скоростями от 300 до 800 км/с. В итоге образуются стационарные потоки плазмы – СКИ, состоящее в основном из ионизованного водорода и гелия.

В окрестности орбиты Земли СКИ характеризуется:

– средней концентрацией атомов водорода 5×106 м–3;

– средней кинетической температурой около 2×105 T.

В период максимума солнечной активности, после возникновения на Солнце хромосферных вспышек, средняя скорость частиц СКИ может возрастать до 1×103 км/с, а средняя концентрация частиц – до 1×108 м–3.

При взаимодействии сверхзвуковых потоков частиц СКИ с магнитным полем Земли на расстоянии порядка 10 радиусов Земли от земной поверхности образуется ударная волна.

Давление газа вокруг КА 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 КА.

При этих так называемых бесстолкновительных условиях высокого вакуума,если на КАимеютсянегерметичныеотсеки, будетнехватать времени длятого,чтобыдавлениеснаружиивнутриотсековвыровнялось.Последнее

лению вектора движения) и его задней частей различна. У передней части КА наблюдается зона повышения концентрации (а отсюда и повышенного газового давления), образующаяся в результате сметания газовых частиц передней поверхностью летящего КА. До соударения с этой поверхностью они имели только скорость, обусловленную их тепловым движением, т. е. меньшую, чем орбитальная скорость КА.

В общем случае максимальное давление частиц газа на лобовую часть КА 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 повышенной концентрации содержатся частицы природной среды, а также частицы от газовыделений материалов КА и т. д., в то время как у задней части КА находятся главным образом частицы этих газовыделений и другие, составляющие СВА КА. Протяженность этой области с отсутствием частиц природной среды может в 10 раз превышать характерные размеры КА.

В орбитальном полете КА лишь малая доля молекул, испаряющихся с его поверхности, будет возвращаться обратно. Это явление характеризуется так называемым коэффициентом возврата Z. Коэффициент возврата – это отношение количества частиц, возвращающихся в единицу времени на единичную площадку поверхности КА, к количеству частиц, испаряющихся с нее в единицу времени.

76 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

В целом для космического пространства коэффициент возврата не равен нулю, хотя и является достаточно малой величиной. Правда, эта величина несколькоувеличиваетсяприоченьнизкихорбитахспутников.Еслипривысоте орбиты около 1000 км значение коэффициента возврата порядка 1×10–6, то при высоте орбиты около 160 км – 0,5.

Обычно давление газовой среды на поверхность КА плавно изменяется от зоны сгущения до зоны разрежения (в задней части КА). СВА КА создает давление на его заднюю часть не более 1×10–8 Па (согласно измерениям с помощью вакуумметров).

Основной составляющей СВА являются молекулы воды, но кроме этой составляющей было выявлено свыше 60 различных веществ (в том числе жир от человеческих пальцев, частицы силиконовых жидкостей и т. д.).

Во время полета пилотируемого КА на низких орбитах на его поверхности образуется мономолекулярный (толщиной в одну молекулу) слой в течение нескольких секунд. Для непилотируемых КА скорость газовыделения, а следовательно, и образования (конденсации) такого слоя в 200 раз меньше. Естественно, концентрация частиц газовыделения уменьшается с увеличением расстояния от поверхности КА, однако это уменьшение различно для разных высотполета.Так, например,начальное значение концентрации этих частиц уменьшается на порядок на расстоянии 0,1 м от поверхности КА при высоте околоземной орбиты высотой 100 км и на расстоянии 2 м – при высоте орбиты 500 км.Вслучаеесли имеетсяинформация о величине скорости газовыделения материалов КА, можно получить оценку давления частиц газа внутри негерметического отсека КА. Как правило, для этого используютсяматематическиемодели,построенныесучетомколичестваотсековКА, их специфических соединений друг с другом, природы и температуры выделяющихся газов, состава и состояния СВА КА, температуры поверхностей внутренних отсеков и т. д.

Главной особенностью космического пространства является его способность к «поглощению» неограниченного количества газов и паров, которые могут выделяться из КА в открытый космос. Следовательно, массопотери являются первейшим и наиболее характерным следствием воздействия космического вакуума на материалы и элементы устройства КА. Особенностью массопотерь в космосе является то, что из общего числа газовых частиц, улетающих (испаряющихся) с поверхностей КА, весьма мало возвращается

к этим поверхностям. Это явление характеризуется, как уже говорилось, коэффициентом возврата Z.

В условиях космического вакуума испарение поверхностныхслоев материалов КА (металлов, неметаллов и т. п.) происходит, как правило, путем сублимации. Процесссублимации заключаетсяв переходе молекули атомов вещества из твердой фазы в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Именно такой переход характерен для вакуумных условий. Этот процесс сопровождается нарушением поверхностных свойств материалов и другими негативными явлениями.

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. Поэтому ее оценку осуществляют экспериментально в земных лабораториях, где моделируются условия космического вакуума.

В результате сублимации изменяется шероховатость поверхности, в частности, терморегулирующих покрытий КА, что приводит к ухудшению оптических характеристик поверхностей и в свою очередь – режимов теплообмена.

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 сублимации.Одновременноевоздействиеразличныхфизическихусловийкосмоса (синергетическое 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.

78 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

Космический вакуум является причиной различных специфических объемных теплофизических и электрофизических явлений. Это, во-первых, касаетсяхарактератеплообмена,когдапрактическиотсутствуюттеплопроводность и теплопередача конвекцией. Преимущественный тип теплообмена в космосе – это теплообмен излучениями.

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 вместах 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.

Кчислудругихотрицательныхвоздействийкосмическоговакуумаможно отнести возможность утечки газов и паров:

– через неплотные соединения в конструкциях;

– путем проникновения через стенки КА;

– вследствие изменения механических характеристик материалов и т. д. Однако основными и наиболее существенными следствиями воздействий космического вакуума являются массопотери, адгезия, трение в ваку-

уме, а также некоторые тепло- и электрофизические явления.

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 идесорбциигаза,объемно-абсорбированноготвердымтелом;

– испарения (сублимации) жидкости (твердого тела).

При газовыделениях реальных тел эти процессы протекают одновременно и накладываются друг на друга.

Важно отметить, что скорости газовыделения в этих процессах ограничены определенным интервалом значений. Так, например, когда давление насыщенных паров испаряющегося вещества близко к парциальному давлениюпаровэтоговещества,скоростьгазовыделениястремитсякнулю,инаоборот, 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 процессиспарения (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 атомночистых). Атомночистымиусловноназываютсяповерхности, укоторыхна1000 атомовосновного вещества встречается один посторонний атом (загрязнения).

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;

– в результате некоторых химических и физико-химических процессов. Эффективность всех этих процессов повышается вследствие следующих

причин:

– увеличения температуры в зоне контакта твердых тел, обусловленного ухудшением теплопередачи в космическом вакууме;

– присутствия различных космических излучений, действующих на поверхностные слои твердых тел.

Надо сказать, что восстановлению защитных окисных пленок в зоне контакта материалов в условиях космического вакуума препятствует незначительное содержание кислорода, а иногда и полное его отсутствие в космическом пространстве. 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 сварка в точках контакта. Сварка называется холодной, в отличие от обычной («горячей») сварки, ибо происходит при пониженных температурах(посравнениюсобычнымирежимамисварки).Многиеметаллыприкон-

80 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

тактных взаимодействиях подвержены холодной сварке в космическом вакууме.Особенноэтосвойственнотемметаллам,которыеспособны(покрайней мере,частично)к образованию твердого раствораили сплава.Примером здесь могут быть металлы, обладающие кристаллической решеткой кубического типа.

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 значительноусиливаетсяприполномконтактеповсейплощади соприкосновения, и именно это объясняет холодную сварку металлов.

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 сдвигеоднойповерхностиотносительнодругой.Приатмосферномдавлении поверхностные пленки (в частности, окисные пленки на металлах) уменьшают число и прочность адгезионных связей, снижая тем самым коэффициент трения.

Чрезвычайно низкое значение скорости восстановления поверхностных пленок в космическом вакууме за счет окисления,обусловленое очень низким содержанием кислорода в окружающей среде, увеличивает трение и способствует большему износу материалов. 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,ночащевсеготакназываемые«сухие»смазкинаосноведисульфида молибдена, пленок металлов и т. п.

Как уже отмечалось, в космическом вакууме передача тепла происходит толькопутемлучистоготеплообменаипрактическиотсутствуеттеплообмен