7.3. Методы экспериментального моделирования космического вакуума и радиационных свойств космического пространства.

7.3.1. Моделирование космического вакуума.

Требования к моделированию

Многообразие изучаемых процессов и физических условий в космосе приводит к необходимости дифференцированного подхода к решению задачи выбора способов и параметров лабораторного моделирования воздействия космического вакуума.

При исследовании теплового состояния КА системы, моделирующие космический вакуум, призваны обеспечить выполнение следующих условий :

- Давление газовой среды в экспериментальной установке должно быть настолько малым, чтобы теплообмен между неконтактирующими поверхностями осуществлялся в основном излучением.

- Коэффициент возврата частиц, покидающих поверхность КА в экспериментальной установке, должен быть пренебрежимо малой величиной.

- Необходимо ( по возможности) исключить попадание на исследуемый объект паров органических веществ ( масел), источником которых являются откачные средства систем вакуумирования .

Выполненные в [ 9 ] оценки величины давления газовой среды, при котором в экспериментальной установке, как и в космосе, можно пренебречь теплопередачей за счет теплопроводности остаточного газа, свидетельствуют о том, что давление на уровне является вполне приемлемым в установках, предназначенных для исследования тепловых режимов КА.

Необходимость моделирования условий, при которых коэффициент возврата является, как и в космосе, пренебрежимо малой величиной, обусловлена , главным образом, тем, что от величины этого коэффициента может существенно зависеть степень загрязнения поверхности КА продуктами собственного выделения. В лабораторных условиях коэффициент определяется следующим выражением [ 6 ] :

( 1) ,

где - вероятность захвата молекулы стенкой экспериментальной установки, - вероятность попадания отраженной от стенки молекулы вновь на объект. Величина зависит от соотношения размеров, геометрической формы исследуемого объекта и экспериментальной установки, а также от характера отражения молекул. При диффузном отражении, например, для сферической вакуумной камеры и сферического объекта коэффициент можно принять равным квадрату отношения диаметра объекта и камеры ( ) . Если , допустим, , то . Величина определяется выражением (2) ,

где - относительная величина площади откачивающей поверхности установки ( по отношению к площади поверхности установки) , - эффективный коэффициент откачки стенок установки. Коэффициент для разных газов различен. Неодинаков для них будет и коэффициент , поэтому обычно говоря о коэффициенте возврата по определенному газу, например, по азоту.

Из соотношений (1) и (2) следует, что пренебрежимо малое значение может быть реализовано при близком к 1 , что может быть достигнуто в том случае, если молекулярной ловушкой являются стенки вакуумной установки. Допустим, , , , тогда , то есть вакуумные условия в этом случае приближаются к космическим. Если, предположим, , то при и , то есть покинувшая объект молекула в среднем 10 раз может вернуться назад на объект. Адсорбируясь на каких-то поверхностях КА эти молекулы могут вызвать изменение поверхностных свойств, в частности, радиационно-оптических.

Таким образом , откачные устройства, моделирующие космический вакуум, должны являться частью внутренней поверхности установки. Это диктуется также необходимостью реализации в вакуумных установках огромных значений объемной скорости откачки при больших газовыделениях испытуемых объектов.

Способы моделирования

Структура системы моделирования космического вакуума определяется в основном составом подлежащих откачке газов и паров, а также требуемой величиной вакуума. Система предназначена для вывода вакуумной установки на рабочий режим по давлению и поддержанию этого режима в течении длительного времени при наличии газоотделения от объекта испытаний и периодических газовых выбросов. Должен откачиваться, в первую очередь, атмосферный воздух или другой балластный газ, которым заполнена вакуумная установка до начала откачки, кроме того, пары и газы, выделяющиеся из КА и их элементов и состоящие из , летучих компонентов уплотнений, изоляции проводов, терморегулирующих или просто лакокрасочных покрытий, летучих веществ из теплозащитных и теплоизоляционных материалов и т. п.

В связи с многообразием откачиваемых газов и паров, а также ограниченностью технических средств, позволяющих одинаково эффективно откачивать газ в диапазоне давлений от атмосферного ( ) до рабочего ( ), обеспечивая при этом реализацию нужных больших, как правило, объемных скоростей откачки, одновременно используются насосы различных типов : насосы предварительной, основной и вспомогательной откачки.

Насосы предварительной откачки ( форвакуумные ) предназначены для начального вакуумирования ( до т.е. до ) , после чего начинают действовать насосы основной и вспомогательной откачки.

Насосы основной и вспомогательной откачки предназначены для откачки газов и паров в рабочем диапазоне давлений и имеют большую объемную производительность. Вспомогательная откачка действует одновременно с основной и необходима вследствие избирательного откачного действия насосов основной откачки.

Для основной откачки применяют насосы, так называемого, поверхностного действия, использующие в максимально возможной степени внутреннюю поверхность установки. Это, главным образом, криогенные насосы конденсационного типа. Работа их основана на вымораживании откачиваемых паров и газов, т.е. образовании твердой или жидкой фазы откачиваемого газа на криоповерхностях и, следовательно, в понижении парциального и суммарного , тоже, давления паров и газов в откачиваемом объеме. Криоконденсация может эффективно применяться для откачки газов, равновесное давление насыщенных паров которых при температуре криоповерхности является более низким, чем требуемое давление. Для каждой температуры имеются свои, так назывемые , неконденсируемые газы с равновесным давлением насыщенных паров, превышающим заданное. Так при температуре жидкого ( ) не конденсируются инертные газы с равновесным давлением насыщенных паров порядка , водород ; при температуре жидкого водорода ( ) не конденсируется водород и гелий; при температуре жидкого гелия не конденсируется гелий и частично водород. Вот почему при использовании криоконденсационных насосов для основной откачки для получения сверхнизких давлений одновременно необходимо использование насосов вспомогательной откачки.

Криогенные насосы конструктивно выполняются в виде криорешеток, по внутренним каналам которых циркулирует хладоагент. Схемы решеток могут быть различными. Используют и комбинированные решетки. Одни охлаждаются жидким или кипящим азотом и располагаются так, чтобы воспринимать тепловое излучение, исходящее от испытуемого объекта, имитаторов внешних тепловых потоков, стенок вакуумной камеры. Другие - охлаждаются холодным газообразным ( - ) или жидким ( ) гелием и заключаются в промежутках между элементами азотных решеток таким образом, чтобы не подвергаться воздействию чрезмерной тепловой нагрузки и, в то же время, выполнять функции крионасоса. Экранирование наиболее холодных поверхностей ухудшает, конечно, характеристики откачки этих устройств, но значительно повышает их экономичность. В целом криорешетки обеспечивают внутренним поверхностям моделирующих установок высокую эффективность откачки и низкий возврат .

В качестве насосов вспомогательной откачки в современных установках используются комбинации насосов различных типов.

Ранее в качестве насосов вспомогательной откачки применялись только паромасляные диффузионные насосы, присоединяемые извне к вакуумной камере с помощью соединительных патрубков. Такая внешняя откачка неприемлема в качестве основной по причине недостаточности объемной скорости , ограниченной вакуумной проводимостью соединительных патрубков. Для обеспечения в больших установках приемлемых скоростей откачки с помощью паромасляных диффузионных насосов , т.е. для осуществления основной откачки потребовалось бы размещение вне установки многочисленных насосов, что вызовет появление конструктивных и эксплуатационных трудностей и приведет к усиленной миграции масла в рабочий объем установки. Появление потока паров масла внутри моделирующей установки является недопустимым из-за загрязнения поверхности КА и оптических элементов имитаторов лучистых потоков вследствие конденсации на них паров масла. Можно существенно уменьшить, но не исключить, миграцию масла, применяя специальные клапанные устройства и охлаждаемые жидким азотом ловушки. Вместо вакуумного масла в диффузионных насосах может использоваться и ртуть. В этом случае насосы называются ртутными пароструйными.

Более перспективными для вспомогательной откачки являются крисорбционные насосы и электрофизические средства откачки. Криосорбционная откачка происходит в результате физической и химической адсорбции газов на специальных охлаждаемых твердых телах ( сорбентах). Используются, в основном, два метода криосорбционной откачки: 1) Адсорбция газов на охлаждаемых металлических пленках, непрерывно напыляемых на подложки в процессе откачки. 2) Адсорбция газов охлажденными пористыми телами. Первый метод основан на физическом и химическом связывании газов поверхностями, на которые в процессе работы наносятся слои активных веществ - геттеров. Использующийся металл ( геттер) осаждается на охлождаемой подложке в виде пленок, сорбирующих откачиваемые газы. В качестве газопоглотителей применяют пленки титана, вольфрама, палладия, никеля и других металлов. Наиболее широко используют пленки титана. Титановые геттерные насосы имеют достаточно высокую начальную удельную скорость откачки для наиболее распространенных типов газов: и др. Однако инертные газы этими насосами откачиваются плохо. Геттерным насосам свойственны и другие недостатки: проникновение паров металла – геттера в откачиваемый объем, малая скорость откачки органических соединений и снижение производительности при откачке органических соединений и углекислого газа.

Другой метод криосорбционной откачки основан на использовании в качестве адсорбентов мелкопористых веществ ( активированного угля, силикагелей, цеолитов). Адсорбент необходимо периодически регенерировать ( восстанавливать адсорбционные свойства) путем нагрева в вакууме для десорбции адсорбента.

Принцип действия электрофизических средств откачки основан на различных комбинациях способов генерации пара геттеров, ионизации молекул откачиваемых газов и ускорения образованных ионов с последующим протеканием различных физико–химических процессов при взаимодействии частиц с поверхностью сорбции. По методу нанесения геттерных покрытий различают ионно-геттерные, магнитные электроразрядные и комбинированные насосы.

Принцип работы ионно-геттерных насосов основан на удалении молекул откачиваемого газа в результате его ионизации, испарения химически активных металлов, хемосорбции активных газов, внедрения ионов инертных газов и их “замуровывания”. Функционально насос разделяется на испарительную и ионизационную системы. Ионизационная система используется также и для диссоциации сложных молекул - паров воды, метана, тяжелых углеводородов. Откачка в ионно-гетерных насосах происходит в результате ускорения ионов откачиваемого газа электрическим полем с последующим внедрением и “ замуровыванием’ обновляемыми слоями геттерного покрытия.

В магнитных электроразрядных насосах для ионизации газа и распыления геттерного материала используется разряд в скрещенных электрических и магнитных полях - разря Пеннинга. Механизм откачки газо этими насосами во многом сходен с механизмом, определяющим работу испарительных геттерных насосов, но интенсивная ионизация и диссоциация молекул откачиваемого газа в газовом разряде дает возможность использовать насосы этого типа как эффективное средство откачки инертных газов и углеводородов.

Комбинированные насосы представляют собой совокупность нескольких откачных средств, размещаемых в едином корпусе: адсорбционного и испарительно-геттерного насосов, испарительно-геттерного и электроразрядного насосов и др. Целесообразность подобных комбинаций определяется тем, что геттерные насосы эффективно откачивают химически активные газы, но не пригодны для откачки инертных газов и углеводородов.

Для вспомогательной откачки используют и турбомолекулярные вакуумные насосы, содержащие ряд статорных и роторных дисков с радиальными косыми пазами. При вращении ротора насоса молекулам откачиваемого газа сообщается импульс в направлении выпускного патрубка. Динамический напор молекулярного газа, образующийся вследствие импульса, уравновешивает перепад давлений в проточной части насоса, которую составляют диски с пазами. Турбомолекулярные вакуумные насосы имеют ряд следующих преимуществ перед другими средствами вакуумной откачки: обладают способностью откачивать все газы независимо от их химической активности, молекулярного веса, величины давления насыщенных паров при той или иной температуре ; не загрязняют среду откачиваемого объема парами углеводородов или другими рабочими телами, как диффузионные, геттерные насосы и др. ; имеют большую быстроту действия при откачке газов с малой молекулярной массой , обычно трудно удаляемых из высоковакуумных систем. Предельное разряжение на входе турбомолеклярных насосов составляет приблизительно при форвакууме порядка .

7.3.2. Моделирование радиационных свойств космического пространства.

“Холод “ и “черноту” космоса моделируют с помощью экранов, охватывающих рабочий объем установки и охлаждаемых до низких температур криогенными хладоносителями. Эти же экраны выполняют и функцию крионасосов основной откачки вакуумной камеры . На экраны наносится покрытие, обладающее высоким значением поглощательной способности во всем диапазоне спектра теплового излучения. Считается , например в [ 3 ,8 ,9 ], что моделирование “холодного” ( т.е. практически ничего не излучающего космического пространства) может осуществляться с удовлетворительной точностью с помощью охлаждаемых до температур кипящего азота экранов ( ). Однако конструктивные особенности экранов могут явиться источником существенных погрешностей моделирования . Экраны, как правило, выполняются в виде оребренных каналов. Вследствие этого участки оребрения , наиболее удаленные от каналов, по которым циркулирует хладоноситель, могут иметь температуры существенно превышающие температуру кипящего азота. Из-за этого радиационная температура экрана в целом может значительно превышать температуру хладоносителя и экраны могут явиться источником заметного фонового излучения. Данное обстоятельство необходимо учитывать при анализе результатов экспериментов и при переносе их на натуру.

Для моделирования “черноты” космического пространства (идеальных поглощательных его свойств) на экраны наносятся покрытия, обладающие максимально возможной степенью черноты и поглощательной способностью по отношению к излучению,моделирующему солнечное излучение. Однако возможности всех имеющихся покрытий ограничены в этом отношении . Ни одно из покрытий не имеет степень черноты ( ) и поглощательную способность по отношению к солнечному излучению ( ) выше величины . За счет придания экранам макрошероховатости поглощательную способность экранов можно поднять и до величины . Под макрошероховатостью здесь понимаются различные конструктивные решения по приданию экранам свойств модели абсолютно черного тела. Для этого можно, например, на достаточно толстой стенке экрана создать шероховатости в виде канавок трапецивидного, треугольного, прямоугольного профиля, можно выполнить экраны в виде решеток, открытых сотовых конструкций и т.д. Но в процессе работы тепловакуумной установки из-за образования на экранах криоосадка поглощательная способность экранов может существенно снизиться ( до величины 0,9 и даже ниже ). Следовательно, достаточно точное моделирование идеальных поглощательных свойств космического пространства для всех возможных случаев – задача практически невыполнимая. Экраны тепловакуумной установки должны иметь максимально достижимую поглощательную способность, например, величину порядка 0,97 – 0,98. А в каждом конкретном случае ( для каждого испытуемого объекта ) необходимо тщательное изучение вопроса о благоприятном, в известном смысле, расположении объекта в камере и о режиме работы имитатора Солнца ( о размерах “солнечного пятна” , если есть возможность регулирования его размеров). Кроме того , в ряде случаев целесообразно пойти на изменение облицовочного материала матов экранно-вакуумной изоляции или на изменения покрытий наружных поверхностей с целью уменьшения отношения тех частей испытуемого объекта, которые не подвергаются воздействию прямого и отраженного от планеты солнечного излучения.