Специальные виды космических испытаний

1 Специальные виды космических испытаний

Для того чтобы космические РЭС  удовлетворяли требованиям надежности, долговечности и работоспособности, на Земле они тщательно и всесторонне  испытываются в условиях, максимально  соответствующих имеющимся при  запуске и в ходе орбитального полета. Специалистов, в частности, интересуют ответы на вопрос о том, как перенесут "нежные" приборы вибрацию и перегрузки, какова степень герметичности аппаратов, как работает система единого питания, как ведут себя различные материалы в глубоком вакууме при экстремальных температурах и многое другое.

К основным внешним факторам, воздействующим от момента старта до момента приземления  спускаемого аппарата можно отнести [1]:

• акустику и вибрации;
• аэрогазодинамические эффекты;
• перегрузки;
• невесомость;
• тепловое воздействие;
• метеоритную опасность и эрозию;
• воздействие космического вакуума;
• электромагнитное излучение;
• корпускулярные потоки;
• воздействие электростатического и магнитного полей;
• радиошумы

Первые три фактора  космического полета важны ввиду их преобладающего влияния на этапах вывода КА на заданную орбиту и управляемого спуска возвращаемой части бортовых систем на Землю. Такие факторы как глубокий вакуум, лучистые тепловые потоки и невесомость связаны с нарушением теплообмена в изделиях. Их называют термовакууными.

Глубокий вакуум характеризуется  крайне низкими концентрациями частиц, плотностью и давлением. На высоте более 10 тыс. км. Атмосферное давление в космическом пространстве составляет  10 Па. Однако значения факторов открытого космоса не характеризуют условия работы ЭС. На поверхности космического аппарата и его отсеках, а также в негерметизированных блоках ЭС за счет испарения материалов конструкций давление существенно выше (порядка 10 …10 Па). Таким образом, ЭС (и в первую очередь их элементы), размещенные в негерметизированных отсеках космического аппарата, работают при давлении не ниже 10 Па, т.е. в условиях глубокого вакуума.

Тепловое воздействие  вакуума проявляется в снижении теплоотвода от энерговыделяющих изделий  из-за отсутствия конвективного теплообмена  и резкого падения теплопроводности газа. Передача теплоты осуществляется только путем лучистого обмена и  контактным способом. Ухудшение теплоотвода от изделий в глубоком вакууме вызывает перегрев и выход из строя ЭС. Поэтому для изделий, работающих при больших удельных мощностях рассеяния, возникает проблема существенного снижения допустимой электрической нагрузки относительно номинального значения.

Одним из основных проявлений воздействия глубокого вакуума  на материалы является сублимация –  потеря массы материалов и оксидных пленок из-за испарения. Особую опасность  сублимация представляет для элементов  и частей ЭС, имеющих незащищенные металлы с высоким давлением паров (кадмий, магний, цинк и др.). В результате сублимации и осаждения испаряющихся частиц металла на более холодные поверхности может возникнуть шунтирование участков поверхности окружающего диэлектрика вплоть до замыкания накоротко отдельных токоведущих частей. Сублимация поверхностных слоев металлов приводит к изменению их прочности, усталостных характеристик, пластичности. Поверхностные трещины как результат сублимации границ зерен и различных скоростей сублимации зерен  микроструктуры могут уменьшить оптические отражательную и поглотительную способности материала, изменив тем самым условия теплопередачи через излучения.

Уменьшение массы органических материалов (полимеров) связанно в основном с диффузией легколетучих компонентов и деструкцией длинноцепочных полимеров на более короткие и подвижные фракции. Состав, молекулярная масса фракций и давление, при котором происходит деструкция, неизвестны. Поэтому теряемая масса органических материалов в глубоком вакууме определяется экспериментально.

Газовыделение из материалов и потеря легколетучих компонентов  при длительном пребывании материалов в вакууме приводят к изменению  параметров, что связанно с изменением электрических и теплофизических  свойств (электропроводности, теплопроводности и др.). Вследствие удаления защитных газовых и оксидных пленок, размеры которых соизмеримы с длиной световых волн, изменяются излучательная способность и оптические свойства материалов в условиях глубокого вакуума. Для создания мономолекулярного адсорбированого газового слоя на поверхности твердого тела, однажды очищенной в глубоком вакууме, требуется несколько тысяч лет. Это означает, что такие поверхности сохраняются чистыми в течении длительного времени. Контактирование очищенных поверхностей характеризуется максимальной адгезией, а при больших пластических деформациях может происходить «холодная» сварка поверхностей, причем прочность соединения достигает 90% прочности материалов.

При контактировании  твердых неметаллических материалов наблюдается также увеличение коэффициента трения. Так, у графита он возрастает в вакууме в 10 раз, а износ в вакууме возрастает ещё более интенсивно – в 1000 раз. Увеличение коэффициента трения и наличие холодной сварки необходимо учитывать при конструировании элементов ЭС, предназначенных для работы в глубоком вакууме.

В процессе изменения  давления от нормального атмосферного до глубокого вакуума между электродами  изделий, находящихся под напряжением 100 В и более, могут наблюдаться  электрический пробой, коронный и тлеющий разряды, что приводит к нарушению работоспособности ЭС. Наиболее опасной с точки зрения проявления этих эффектов является область давлений 10 …10 Па.

Основным источником лучистых тепловых потоков в космическом пространстве служит Солнце. На каждый квадратный метр обращенной к Солнцу поверхности космического аппарата в окрестности земли ежесекундно поступает около 1400 Дж энергии, переносимой солнечным электромагнитным излучением. Энергия в спектре излучения распределяется следующим образом:

9% приходится на ультрафиолетовое  излучение;

46,1% на видимое излучение;

44,4% на инфракрасное

Остальное – на рентгеновское и корпускулярное излучения.

В инфракрасном и видимом диапазонах энергия отдельных квантов слишком мала, чтобы излучение могло оказывать физико-химическое воздействие на вещество. Инфракрасные лучи переносят тепловую энергию, вызывая нагрев элементов т материалов открытых ЭС. При уменьшении длины волны энергия квантов излучения возрастает и может стать достаточной для разрыва молекулярных связей или появления радиационных дефектов стать достаточной для разрыва молекулярных связей или появления радиационных дефектов в веществах.

Под действием ультрафиолетового  излучения могут меняться свойства оптических материалов и терморегулирующих покрытий, красителей и органических материалов. Поверхностная электропроводность и т.д. однако с уменьшением длины волны λ резко падает интенсивность излучения. Поэтому ультрафиолетовое излучение проникает в большинство материалов на глубину несколько микрометров и все повреждения происходят лишь в поверхностном слое.

Земля, как и другие планеты, посылает на поверхность космического объекта  длинноволновое излучение – тепловой поток, который складывается из отраженного облаками, атмосферой и поверхностью Земли солнечного излучения, а также собственного теплового излучения. На низких орбитах плотность теплового потока может достигать 40% плотности потока прямого солнечного излучения, но с увеличением высоты она уменьшается.

Тепловые потоки, идущие на космический  объект от звезд, практически малы. Энергия излучений участков межзвездного пространства, лишенных каких-либо источников, соответствует температуре 2,7…4 К. До такой температуры охладилась бы поверхность космического аппарата и, следовательно, ЭС, находящиеся в нем, при отсутствии притока тепла от внешних или внутренних источников. В тепловой баланс космического аппарата и ЭС вносят определенный вклад лучистые тепловые потоки.

Невесомость как фактор космического пространства имеет место при свободном орбитальном полете космического аппарата и является следствием уравновешивания силы гравитации силами инерции. По воздействию на ЭС невесомость следует рассматривать как фактор, оказывающий влияние лишь на тепловой режим изделий через изменение гидродинамики теплоносителей, процессов кипения и конденсации хладагентов. Поэтому невесомость учитывают только для ЭС, размещаемых в герметизированных отсеках космических аппаратов.

Тепловое воздействие невесомости, так же как и вакуума, характеризуется отсутствием конвективной составляющей теплоотдачи от энерговыделяющих изделий. Использование для охлаждения принудительной циркуляции газа в условиях орбитального полета практически устраняет эффект воздействия невесомости. Однако если при этом имеются «застойные»  зоны, в которых скорость потока газа близка нулю, то в них эффект невесомости проявляется достаточно сильно.

2 Термовакуумные испытания

Термовакуумные испытания проводят для исследования работоспособности  ЭС в зависимости от их теплового режима в условиях космоса. Для обеспечения теплового режима  ЭС в лабораторных условиях достаточно воспроизвести основные факторы космического пространства:

• глубокий вакуум;
• солнечное излучение;
• излучения планет солнечной системы;

         «Холод» и «черноту» пространства за пределами телесных углов, занимаемых Солнцем и рассматриваемой планетой.

Важное место в наземной отработке космических аппаратов  занимает изучение их теплового режима. Жесткие весовые и энергетические ограничения заставляют конструкторов создавать системы терморегулирования без существенных запасов хладо— или теплопроизводительности. В этих условиях даже незначительные ошибки в тепловых расчетах могут привести к тому, что тепловой режим космического аппарата не будет выдержан в заданных пределах и вызовет выход из строя элементов бортовой аппаратуры.

Как показано на рис. 1, особенности теплового режима (даже в рамках допустимого диапазона) сильно влияют на надежность космического аппарата. Наименьшее число отказов наблюдается при нормальной, комнатной температуре. С ее понижением число отказов возрастает, становясь значительным при пониженных температурах и особенно большим при повышенных. Для проведения тепловых испытаний на Земле в специальных барокамерах (рис. 2) воспроизводятся некоторые условия космического пространства, прежде всего давление, температура и солнечная радиация. В полной мере имитация этих условий сложна, поэтому на практике обычно ограничиваются той или иной степенью приближения. Так, например, уже при давлении 10-8-10-10 кгс/см2 теплопроводность газов становится пренебрежимо малой, и ею можно пренебречь. Отвод тепла от космического аппарата в окружающую среду в этом случае будет происходить так же, как и в космосе, — только излучением.

Температура космического пространства с достаточной для практических целей точностью имитируется путем охлаждения внутренних стенок (экранов) барокамер жидким азотом (77 К). Изнутри эти экраны покрывают специальными покрытиями, обеспечивающими степень их черноты, близкую к единице. Это делается для того, чтобы излучаемый объектом тепловой поток поглощался стенкой, а не отражался ею обратно на объект.

Вообще говоря, ряд специалистов считает, что имитация истинных условий  космоса, возможно, никогда не будет  достигнута, но любая степень приближения к ним стоит затраченных усилий. Однако на практике всегда ограничиваются разумной степенью приближения, определяемой некоторым пересечением технической осуществимости и экономической целесообразности создания наземных экспериментальных установок.

На начальном этапе развития космонавтики наземная экспериментальная  база была сравнительно слабой. В США, например, первая установка, предназначенная  для проведения тепловых испытаний  космических аппаратов, построена  только в 1958 г. и была весьма примитивной. Она представляла собой камеру диаметром 2,4 м и длиной 4,6 м. Ее экраны охлаждались протекавшим по ним жидким азотом. С помощью трех механических и одного диффузионного насосов в ней можно было поддерживать давление порядка 10-11-10-12 кг/см2. Имитация внешнего теплового потока, поступавшего на установленный в камере аппарат, производилась с помощью инфракрасных нагревателей, количественно воспроизводивших потоки, вычисленные аналитически.

1 — комнатная температура; 2 — фаза перехода от максимально  допустимой к минимально допустимой  температуры приборов; 3 — минимально  допустимая температура приборов;      4 — максимально допустимая температура приборов.

Рисунок 1 - Зависимость  количества отказов приборов  космических  аппаратов от окружающей температуры.

1 — ферменная конструкция, к которой подвешены коллимирующие зеркала;                          2, 11— направление потока воздуха при вакуумировании; 3 — диффузионный насос;             6 — рабочая часть камеры; 7 — стенка, охлаждаемая жидким азотом; 8 — установка для имитации солнечного излучения; 9 — мозаичная система линз; 10 — стенка, охлаждаемая жидким азотом; 11 — коллимирующие зеркала; 12 — платформа обслуживания.

Рисунок 2 - Схема барокамеры [правая половина условно повернута на 45 градусов, чтобы был виден диффузионный насос].

Практический опыт, однако, вскоре показал, что экспериментальная  техника должна быть более совершенной  прежде всего в аспекте имитации внешних тепловых потоков. В результате в 60-е годы в разных странах начали проводиться работы по созданию имитаторов солнечного излучения. Их применение, кроме более полного исследования тепловых режимов космических аппаратов, позволяло также решать широкий круг других весьма важных задач: испытывать оптические приборы системы ориентации и солнечные батареи, снабжающие аппарат электрической энергией, изучать влияние излучения Солнца на свойства материалов и т.д.