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

проводность воздуха равна 0,01 % теплопроводности воздуха на уровне моря и при 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 КА, 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 наличии адсорбированных, окисных илидругихподобныхпленокнаповерхностикосмическогоаппарата;например, для гелия на «чистом» вольфраме коэффициент аккомодации тепловой энергии равен 0,017, а на вольфраме с адсорбированной пленкой – 0,5. Поэтому тепловой режим КА зависит от наличия таких пленок на внешних его поверхностях.

Таким образом, массопотери и газовыделение конструкционных материаловКА вкосмическомвакуумесущественноизменяютсвойства,связанные с их теплофизическими характеристиками. 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,

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

электропроводностьповерхностныхслоев(взависимости от их физического состояния) может приводить к поверхностным токам утечки.

К числу условий космической среды, способствующих возникновению разрядовипробоеввбортовыхприборахКА,следуетотнеститакженаличие различных космических излучений (как электромагнитных, так и корпускулярных), магнитосферной плазмы.

Таким образом, при эксплуатации электронного и электротехнического оборудованияКАв условиях космического вакуума появляютсятоки утечки, разряды, пробои и другие нежелательные электрофизические явления. Поэтому для нормальной эксплуатации электронные блоки и узлы КА обычно прикрывают полугерметичным экраном («закрытые» узлы), который, помимопрочего,защищаетихиотвоздействиякосмическихизлученийиобеспечивает лучший тепловой режим.

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 КА можно лишь экспериментально, используя лабораторные вакуумные установки.

Рассмотренные здесь различные явления, перечень которых можно было бы продолжить, иллюстрируют собой результаты отрицательного воздействия космического вакуума на элементы конструкции КА. Однако надо подчеркнуть, что условия космического вакуума могут нести и полезную службу.Ранееуже говорилосьобиспользованиикосмическоговакуумавкачестве своеобразного «насоса» для откачки вещества из вакуумных установок.Крометого,космическийвакуумсущественнооблегчаетсозданиенадувных и вспенивающихся конструкций в космическом пространстве.

От длительного пребывания в космическом вакууме также заметно меняются механические (объемные и поверхностные), оптические и другие характеристики материалов КА. 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.

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

Воздействие космического вакуума на материалы учитывается при выборе материалов для КА и их составных частей (СЧ), в том числе и ОЭП астроориентации и навигации КА. В общем случае при конструировании КА, их систем и приборов используются материалы достаточно легкие, прочные,радиационно-стойкиеи имеющие низкую степень газовыделения.

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

Кроме того, к материалам, применяемым для пилотируемых КА, предъявляются дополнительные требования по невозгораемости и нетоксичности.

Для материаловнекоторых КАтребуются такжекоррозионнаястойкость и отсутствие магнитных свойств.

Наиболеечасто в качестве материаловдля КА,их узлови блоковиспользуются 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 целей космического приборостроения.

Сталь, хотя она и в три раза более тяжелая, чем алюминиевые сплавы, тем не менее может быть сравнима с ними по удельным прочностнымхарактеристикам. 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,перемещающиесявневесомости,могутпопастьна электрические цепи и вызывать их замыкание.

ШирокоиспользуетсявконструкцияхКАсотоваяпанельввидесэндвича. Она образуется двумя тонкими листами алюминиевого сплава («кожа»), между которыми помещены гексагональные ячейки (соты), изготовленные из фольги. Сотовые ячейки склеиваются между собой и приклеиваются к«коже»синтетическойсмолой.Стенкиячеекперфорированыдлятого,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 матери- алы,такие,например,какугольно-стекловолоконныйслоистыйпластик.Ско- рости 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).

В конструкциях КА широко используются разнообразные полимерные материалы: алюминированныепластиковые (майларовые)фольги, краски на полимерной основе, эластомерные уплотнения из фторуглеродной резины

где – давление насыщенных паров материала, Па;

– плотность материала, кг/м3;

– молекулярный вес газовой фазы испаряющегося материала;

– температура окружающей среды, К.

Трудность в практическом использовании этой формулы заключается в том, что давление является параметром, сильно зависящем от температуры окружающей среды .

Для металлов давление паров мало и составляет величину менее 1×10–8 Па и существенно зависит от температуры. Их поверхностное испарение значительно повышается с увеличением температуры.

Для анализа стойкости конструкционных материалов к испарению в вакууме достаточно сравнить их температуры, соответствующие заданному линейному уносу. Следует рассмотреть характеристики испаряемости различных неорганических материалов, данные по которым представлены в таблице 12.

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

Таблица 12

Испаряемость различных неорганических материалов в глубоком вакууме

Зависимость уносимого слоя от времени линейна.

В реальном диапазоне кинетических температур корпуса КА (±150 °C) испаряемость металлов существенна только для тонких покрытий из кадмия или цинка. Так как для ОЭП астроориентации и навигации температура на посадочном месте может достигать ±60 °C, то испаряемость покрытий из кадмия или цинка может достигать 0,1 мкм в год.

Из таблицы 12 видно, что кадмий не рекомендуется как покрытие для деталей ОЭП, так как быстро испаряется в условиях глубокого вакуума при температуре +40 С; аналогично не рекомендуется использовать цинковое покрытие.

ется в процентах от массы в год. Ее значения представлены в таблице 13.

Таблица 13

Испаряемость полимерных материалов в условиях глубокого вакуума

Металлы обладают достаточно высокой стойкостью к испарению в вакууме. Следствием испарения может быть лишь изменение чистоты поверхности и вследствие этого – нарушение теплового режима.

Пластмассы в отличие от металлов испаряются не только с поверхности, но и во всем объеме. Доля испарившийся массы есть функция температуры и времени (годы).

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

Только специальные конструкционные пластмассы рассчитаны на длительную работу в вакууме.

Из условия сохранения механических свойств в зависимости от времени допустимые потери для полимерных материалов не должны превышать 1 … 2 % в год.

Для снижения испаряемости пластмассовые детали, как правило, металлизируются – покрываются слоем алюминия, реже – золота. Не следует использовать в открытом космосе пластмассы, содержащие пластификаторы и гидрированную керамику. Потеря летучих компонентов ухудшает прочностные свойства, изменяет электрическое сопротивление, оптические характеристики материалов.

В вакууме могут использоваться почти все металлы, но полимерные материалы нужно использовать с крайней осторожностью.

Неметаллические конструкционные материалы, предназначенные для использования в КА, подлежат проверке на потерю массы по методике, изложенной в ГОСТ Р 50109-92.

На предприятиях, которые занимаются разработкой и изготовлением КА и их бортовой аппаратуры, существуют ограничительные перечни материалов и ЭРИ, которыми необходимо пользоваться при выборе конструкционных материалов в процессе разработки [1, 15, 17, 23, 26, 36, 40].

9.2. Особенности работы пар трения в условиях глубокого вакуума

Большинство современных ОЭП астроориентации и навигации КА являются приборами статического типа, т. е. приборами, в которых отсутствуют подвижные механические части. Однако до сих пор, исходя из различного рода соображений, разрабатываются и производятся приборы, в которых содержатся подвижные элементы: механизмы сканирования, механизмы подстройки поля зрения и т. п., т. е. в них содержатся пары трения.

Проблема работы пар трения в условиях глубокого вакуума давно известна в инженерной практике, например разработчикам вакуумных установок.

Вподвижныхсоединенияхустройств,предназначенныхдляработывглубоком вакууме, обычно стремятся заменить сухое трение гидродинамическим. Для этого используют различные смазки.

(MoS2);

– герметизировать объемы, содержащие пары трения и заполнять их газом;

90Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

–использовать современную элементную базу, позволяющую создавать статические (не имеющие подвижных механических частей) ОЭП астроориентациии навигации, в которых по определению не может содержаться пар трения [1, 23, 26].

9.3. Воздействие радиационного излучения на элементы конструкции КА

В процессе эксплуатации на орбите КА подвергаются воздействию космического излучения, вызывающего ионизацию как СВА КА, так и конструкционных материалов, из которых изготовлен КА, что может оказать негативное влияние на физико-механические свойства этих материалов, а также на работоспособность комплектующих КА ЭРИ.

По преобладающемусоставучастиц вих спектре ионизирующие излучения условно подразделяются на следующие виды:

– гамма-излучение ( );

– нейтронное (n);

– электронное (e);

– протонное (p).

Кроме этих видов излучения, заметное воздействие на материалы и ЭРИ могут оказывать также альфа-частицы (α-частицы) и другие частицы, возникающие в ядерном реакторе (ЯР) КА, в тех случаях, когда он установлен на борту,а такжетяжелыезаряженныечастицы(ТЗЧ)СКИиГКИ,обладающие очень высокой энергией.

Основными характеристиками ионизирующих излучений являются энергия частиц, выражаемая в электрон-вольтах (эВ), и плотность потока частиц, выражаемая числом частиц, проходящих через единицу площади в единицу времени. В качестве меры плотности потока принято использовать число частиц, прошедших через поверхность площадью в 1 см2 за 1 с.

В реальных условиях ионизирующие излучения имеют обычно сложное распределение по энергиям – энергетический спектр.

Уровень воздействия проникающей радиации зависит от времени воздействия излучения с заданной плотностью потока на вещество и выражается числом частиц, которые проходят через площадку в 1 см2 за время облучения реальным потоком (Ф).