Корпускулярные и метеоритные потоки, эрозия

При работе ЭС в условиях космоса помимо радиационных повреждений ЭС, связанных с нарушением работы их элементов, наблюдаются также повреждения покрытий ЭС при воздействии потока различных корпускулярных частиц. Для исследования качества покрытий проводят испытания ЭС как при раздельном воздействии потока частиц с различными факторами космического пространства, так и при совместном их воздействии. Моделирование воздействия потоков корпускулярных частиц осуществляют на различных установках. Эти установки можно условно разбить на пять групп, каждая из которых предназначена для имитации воздействия определенного вида корпускулярных частиц, вызывающих повреждения покрытий.

Установки первой группы обеспечивают моделирование воздействия на покрытия ЭС ионов верхней атмосферы Земли и других планет. В этом случае поверхность ЭС подвергается воздействию плазменной струи, представляющей пучок ионов с кинетической энергией около 20 эВ, создаваемый плазмотроном или специальной плазменной аэродинамической установкой. На рис. 4 показана схема плазменной аэродинамической установки, в которой можно проводить исследование покрытий ЭС при повышении плотности плазменной струи.

Установки второй группы обеспечивают моделирование корпускулярного излучения Солнца низкой энергии («солнечный ветер» и нестационарные потоки солнечной плазмы), протонов и электронов, входящих в состав электроносферы и протоносферы Земли. Для получения потоков электронов, протонов и ионов гелия наиболее удобно использовать электронные и ионно-лучевые приборы: электронные и ионные пушки, масс-сепараторы, масс-спектрометры, электронографы. Установки третьей группы предназначены для имитации потоков протонов и электронов радиационных поясов Земли. Обычно это электростатические ускорители, циклотроны, высоковольтные ускорители.

Имитационные установки четвертой группы должны обеспечивать ускорение микрочастиц размером около 1 мкм до скоростей 10...20 км/с и выше для установление влияния микрометеорной эрозии на изменение оптических характеристик покрытий. Один из методов получения микрочастиц с космическими скоростями — ускорение их с помощью электрических полей. При этом наиболее часто применяют электростатические ускорители.

Для ускорения микрочастицы ей необходимо сообщить электрический заряд. Электризацию микрочастицы осуществляют

правило, контактным методом в специальном инжекторе. Сущность метода состоит в том, что металлические частицы массой m и размером около 1 мкм, подлетая к Наряжающему электроду и касаясь его, приобретают заряд Q пропорциональный напряженности электрического поля на острие заряжающего электрода. Заряженная ча­стица отталкивается от электрода и инжектируется в ускорительную трубку. Основное требование к инжектору — обеспечение максимального отношения Q/m. Практически удается получить Q/m = 100...400 Кл/кг.

Для достижения скоростей макрочастиц около 25 км/с используют- линейные ускорители с большим числом ускоряющих электронов. Ускорение сверхпроводящих частиц бегущей магнитной волной позволяет получать широкий диапазон космических скоростей.

При микрометеорном ударе сравнительно малое количество мишени (около 1 %) и практически весь микрометеорит переходят в газовую фазу при высоких температурах (3*10³...10⁶ К). Поэтому достаточно промоделировать стадию микрометеорного удара (при скоростях соударений, превышающих 5 км/с), когда существует жидкая фаза. Часть образующейся жидкости выбрасывается из кратера в виде мелких капель, а часть остается на его стенках в виде тонкой пленки Критерием правильного моделирования воздействия микрометеорного удара является воспроизведение истинного разме­ра, температуры и условий охлаждения капель, продолжительности их существования в кратере в жидком состоянии. Время формирова­ния пленки на стенках кратера должно быть значительно меньше времени ее остывания. Это можно обеспечить воздействием луча лазера с модулированной добротностью, т. е. создающего мощные импульсы излучения.

Установки пятой группы служат для моделирования исследования комплексного воздействия различных видов корпускулярных потоков, микрометеорных частиц и электромагнитного излучения Солнца на стойкость покрытий. В состав таких имитационных установок вхо­дят термовакуумные камеры, ускорители электронов и протонов имитаторы Солнца, ускорители микрометеор­ных частиц и т. д. Наличие нескольких типов ускорите­лей обеспечивает моделирование радиационной обста­новки, сходной с космической.

:

1 — источник плазмы; 2 — вакуумная камера; 3 — диффузионные насосы; 4— эмиссионный зонд; 5—испытываемый объект; 6 — термозонд; 7 — анализатор расходимости пучка; 8 — ограничивающая сетка; 9 — подавляющая сетка; 10— кольцевой коллектор; 11 — электростатический масс-спектрометр; 12— сеточный анализатор; 13 — пучок плазмы; 14 - гетероионные насосы.

Рисунок 4 - Схема плазменной аэродинамической установки

К устройствам для моделирования космического корпускулярного излучения предъявляют следующие специфические требования: одновременное облучение исследуемых материалов электронами

и положительными ионами (протонами, ионами гелия и др.);равномерная плотность электронных и протонных потоков и Облучение ими в вакууме поверхности материалов площадью в сотни

квадратных сантиметров;

возможность изменения энергии протонов и электронов в Ши­роком диапазоне;

возможность преобразования моноэнергетических пучков заряженных частиц в пучки со сплошным энергетическим спектром, близким космическому.

В последние время, для большей эффективности создания пучка, где это возможно начали применять жидкие рабочие вещества (рис 5). Впервые эта методика была опробована на инонах кислорода.

Рисунок 5 - различные конструкции инжекторов ионов.

Необходимо отметить, что испытания на механическую прочность при воздействии с космическими телами проводят при использовании современного программного обеспечения и мощных вычислительных комплексов, моделируя столкновение с телами различной конфигурации, а так же имеющих различные кинетические характеристики. В то же время, следует понимать то, что, практически любой крупный объект на околоземной орбите или вне ее вызывает выход из строя практически любого современного КА при столкновении с ним.