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 ренгеновское 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.

Date: 2015-07-27; view: 2021; Нарушение авторских прав