3. Основные принципы лабораторного моделирования воздействий космического вакуума

Космическое пространство характеризуется газовым составом и концентрацией. Концентрация и давление связаны между собой:P = nkT, где n – концентрация молекул газа в объеме, Т – температура, k – постоянная Больцмана. Поэтому в лабораторной практике принято характеризовать космический вакуум давлением. При этом нужно различать давление статическое, которое характеризует область пространства (выделенную объемную область орбиты), и динамическое, которое оказывает действие на движущийся КА. Так давление на переднюю часть (по вектору движения) КА может в несколько порядков превышать статическое давление (сгущающий эффект), а давление на задние части КА может быть на несколько порядков ниже (расталкивающий эффект).

При полете КА в космическом пространстве лишь малая доля молекул, испарившихся (стартовавших) с его поверхности, будет возвращаться обратно. Это обстоятельство учитывается коэффициентом возврата Z. На рис. 4 представлено взаимодействие концентрационных потоков с КА в космосе и в лабораторной установке. В лабораторной установке низкое значение Z можно получить, если ее стенки будут являться эффективным откачивающим (поглощающим) устройством, например, криогенным конденсационным насосом. Коэффициент возврата можно определить по формуле

,

где В – вероятность возврата молекулы, отраженной от стенки, на объект,

А – вероятность захвата молекул стенкой. А = k, где k – доля поверхности стенки, работающей как насос,  - эффективность откачного действия стенки. Пусть Z^* - коэффициент возврата в космосе, но Z^*  0, т.к. имеет место взаимное столкновение молекул, стартующих с поверхности КА. Тогда условия корректного моделирования выражаются требованием Z = Z^* .

Многообразие физических факторов, воздействующих на искусственно созданный материальный объект, широкий спектр активных реакций (откликов) приводят к необходимости дифференцированного подхода при выборе условий и параметров лабораторного (стендового) моделирования воздействий космического вакуума. А именно: а) параметров вакуумных установок (давлений, производительности откачных систем их сочетания и т.д.); б) типов и систем откачки (внешняя, внутренняя, комбинированная, масляная, безмасляная и т.д.); в)способов моделирования (однофакторное, многофакторное); г) конструкций установок (габариты, материалы и т.д.); д) средств измерения.

Основным техническим критерием моделирования является выбор давления, которое необходимо реализовать в установке. В таблице приведены давления, которые необходимо воспроизводить в лабораторных установках при исследовании и отработке физических явлений в системах космической техники.

Таблица

Содержание исследований	Уровень давления, мм рт.ст. (Па)
Изучение механической прочности герметичных оболочек КА при воздействии перепада давлений	~10 (~103)
Исключение воздушного демпфирования при вибрациях	10-3 (10-1)
Теплоотдача излучением	10-4 (10-2)
Диэлектрические силы и разряды	10-5 (10-3)
Изучение физических свойств материалов	~10-6 (~10-4)
Изучение работы ионных и плазменных двигателей	10-7 (10-5)
Холодная сварка	10-7 (10-5)

4. Стендовая база ФКП «НИЦ РКП». Стендовая база, использующая в той или иной степени вакуумную технологию, включает в свой состав как специализированные комплексы (испытательные станции) для моделирования космических условий, содержащие вакуумные камеры, системы откачки, сервисные системы, позволяющие организовать работу стенда, испытуемого объекта и обеспечивающие требования программы испытаний в части управления, измерения, а также обработки и представления информации, так и локальные стендовые установки, предназначенные для создания вакуумных условий для конкретных агрегатов и систем ДУ с ЖРД при наземных стендовых испытаниях.

Специализированные комплексы предназначены для проведения тепловакуумных испытаний (ТВИ), отработки ЖРД ТМ в вакуумных условиях, отработки ЖРД и ДУ с ЖРД в высотных условиях. Необходимым сегментом вакуумной технологии являются испытания агрегатов РКТС на герметичность..

5. Испытания на герметичность. Нормирование герметичности, т.е. минимизация потоков рабочего вещества через неплотности элементов технологических систем КА, является обязательным требованием при разработке систем РКТ с длительным сроком активного существования. Поэтому рабочие места для отработки агрегатов на герметичность являются неотъемлемыми составляющими испытательной базы. Испытания агрегатов РКТС на герметичность основаны на использовании вакуумной технологии, проводятся методами течеискания, основанными на регистрации потоков пробных веществ, проникающих через неплотности (через течи). Специфическим элементом вакуумной технологии при отработке агрегатов РКТС на герметичность является работа с калиброванными контрольными течами.

Результатом испытаний является не только определение негерметичности агрегата в его первоначальном состоянии, но и прогнозирование динамики негерметичности в течении срока активного существования космической системы.

Кроме отмеченного, вакуумная технология в НИИХИММАШ широко используется в таких технологических процессах, как вакуумная сушка стендовых магистралей и гидравлических трактов изделий, вакуумная очистка газовых емкостей, вакуумная технология отбора газовых и жидких проб на химанализ, при ремонтных работах по восстановлению вакуумной теплоизоляции криогенных транспортных систем и систем хранения криопродуктов.

Оценка степени разрежения при испытании агрегатов в вакуумной камере

Оценку необходимой степени разрежения в вакуумной камере при проведении испытаний агрегатов ракетнокосмических технических систем (РКТС), работающих в вакуумных условиях, проведем, используя в качестве критерия коэффициент возврата Z, представляющего собой отношение потока молекул, возвращающихся на поверхность к потоку молекул, стартующих с поверхности космического аппарата (КА).

В условиях космоса ZºZ_*<<1, но Z_*≠0, т.к. имеет место взаимное столкновение молекул, стартующих с поверхности в окружающее (безграничное) пространство.

Z_* может быть оценен по формуле

Z_*≈5∙10^-2 , (9)

где - характерный размер,

L – длина свободного пути молекулы. Учитывая, что L==L₁/P, перепишем (9) в виде

или

. (10)

Размер - расстояние от поверхности испытываемого агрегата до стенки вакуумной камеры. Это расстояние ~1 м.

Вводя ограничение для Z_*: Z_*=0,01, т.е. 1% потока молекул возвращается на поверхность агрегата, получим, например, для водорода

мм рт.ст.

На основании проведенных оценок видим, что для проведения разноплановых испытаний систем и агрегатов РКТ в условиях, имитирующих (моделирующих) космические, необходимо получать и поддерживать вакуум на уровне 10^-5 мм рт.ст. Это требование может быть повышено при необходимости отработки других процессов, например, связанных с массоуносом, трением.

Уточнить, что такое L₁ , обосновать зависимость L = L₁/Р

Вывод (как заключительное слово). Определяющим фактором в деле отработки космических систем в наземных условиях, существенной частью наземной испытательной базы, создаваемой для этих целей, является вакуумная откачная техника, базирующаяся на различных по принципу действия средствах откачки, определяемая как система вакуумирования.

10