Основные воздействия вакуума

Вакуум как фактор космической технологии на борту КА

Иллюстративный материал на отдельном листе

ВОЗДЕЙСТВИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОГО ВАКУУМА

ЛЕКЦИЯ 1

(для 6-го семестра 2012 учебного года)

 

Содержание

1. Вакуум как фактор космической технологии на борту КА

2. Основные воздействия космического вакуума

3. Основные принципы лабораторного моделирования воздействий космического вакуума

4. Моделирование воздействий факторов космического пространства на конструкционные материалы КА

5. Вакуумная технология в ФКП «НИЦ РКП»

 

Приложение:


Использование таких специфических свойств космического пространства как микрогравитация и высокий (и сверхвысокий) вакуум является одним из ключевых сегментов космический технологии. Здесь, говоря о космической технологии, в первую очередь следует иметь ввиду разноплановые физические исследования и получение новых материалов (и продуктов, например, микробиологии), производство которых затруднено в наземных условиях. К числу таких технических материалов относятся сверхчистые материалы с неискаженной примесями кристаллической решеткой, тонкопленочные материалы для солнечных батарей и концентраторов солнечной энергии. Приоритетные исследования - постановка на борту КА экспериментов в космическом вакууме по изучению физических свойств поверхности твердого тела, поверхностных процессов. Получение высокого и сверхвысокого вакуума в рабочих объемах экспериментальных установок, размещаемых на борту КА (космической станции) не является простым делом, как кажется на первый взгляд. Для решения этой задачи разработано ряд приемов в зависимости от требуемого вакуума и количественных и качественных характеристик газовыделения объектов испытания:

· прямое использование космического вакуума (КВ), имеющегося за бортом КА;

· использование заборного КВ в качестве вспомогательного насоса предварительной откачки для основной вакуумной системы, размещенной на борту КА, с автономными высоко- и сверхвысоковакуумными насосами;

· специальный технологический прием: получение сверхвысокого вакуума за специальным защитным устройством (за теневой защитой).

Концентрация газовых частиц в космосе доходит до 1 в см3 и более низких, следовательно, главнейшей особенностью космического пространства является его способность к поглощению неограниченного количества газов и паров, которые могут выделяться КА в космосе (интенсивная откачка, если употребить терминологию вакуумной техники).

Следовательно, массопотери являются наиболее характерным видом воздействия КВ на материалы и элементы устройств КА. Особенностью массопотерь в условиях КВ является то, что очень мало частиц, улетающих с поверхности КА, возвращается обратно. Этот процесс характеризуется коэффициентом возврата Z, который трактуется как отношение количества частиц, возвращающихся на КА, к количеству частиц, испаряющихся (десорбирующихся) или поступающих из КА, в единицу времени

Характерным результатом воздействий КВ является возникновение таких поверхностных явлений, как адгезия и когезия, и вследствие этого ухудшение характеристик трения и изнашивания. КВ приводит к специфическим теплофизическим и электрофизическим явлениям.

Во-первых,он обуславливает специфический характер теплообмена, в котором отсутствуют конвекция и теплопроводность через газовую среду. Преимущественный тип теплообмена в космосе – излучение.

Во-вторых, наличие КВ представляет собой защитные условия от пробойных и разрядных явлений в электрических цепях (вакуумная изоляция). Но локальное изменение концентрации и свойства атмосферы за счет массопотери иявления переконденсации может способствовать пробойным явлениям.

К числу воздействий КВ относятся интенсификация утечек газов и паров через различного рода негерметичности.

Рассмотрим более подробно массопотери, трение в вакууме, электрофизические явления, как наиболее существенные из числа многообразных воздействий КВ на КА и его системы.

Массопотери.Любое вещество или материал, помещенные в вакуум, способны к газовыделению (к дегазации). Дегазация материалов – процесс, представляющий собой синтез процессов: а) десорбция газов, адсорбированных на поверхности твердых тел; б) диффузия газов через микропоры материала; в) испарение (сублимация) жидких и твердых субстанций. При дегазации эти процессы протекают одновременно, накладываясь друг на друга (рис.1).

 
 

1 – потери атмосферных газов, адсорбированных и (или) абсорбированных материалами; 2 – потери загрязнений и (или) добавок; 3 – истинные потери материалов (их субстанций); 4 – общие потери массы образца. F – окончание экспозиции (выдержки) в вакууме, R – восстановление массы образца.

Рис.1 Кинетика массопотерь при дегазации в вакууме

Примечание.Адсорбция – поглощение газов на поверхности твердых тел за счет процессов физического взаимодействия (поверхность потенциалов). Абсорбция – это поглощение газов в объеме жидких или твердых тел.

Адгезия (когезия). В космическом вакууме за счет десорбции реализуются условия, при которых поверхности твердых тел становятся чистыми (вплоть до атомно чистых, т.е. когда на 1000 атомов основного вещества на поверхности имеется один атом загрязняющего вещества), т.е. исчезают защитные и смазывающие газовые прослойки между соприкасающимися поверхностями. Исчезновение защитных пленок (газовой прослойки) вызывает адгезионные (и когезионные) явления.

Адгезия – слипание поверхностей двух разнородных твердых тел. Адгезия обусловлена физическим процессом на молекулярном уровне, аналогичным процессам при адсорбции, т.е. это поверхностный процесс. Адсорбция идет с выделением теплоты, которое обусловлено поглощением молекул одного вещества молекулами другого. Количественно адгезия характеризуется удельной работой, которую надо затратить на разделение (разрыв) тел.

Когезия – сцепление молекул физических тел под действием сил межмолекулярного взаимодействия (притяжения) и химической связи. Аналог когезии – хемосорбция, т.е. поверхностное поглощение молекул за счет химического взаимодействия.

 
 

Адгезионные явления обуславливают возрастание фрикционных характеристик трения и изнашивания подвижных соединений. На рис. 2показано влияние на коэффициент трения давления окружающей среды.

Рис.2. Зависимость коэффициента трения от давления окружающей среды: а) – стационарная кривая; б) – возвратно-поступательное движение алмаза по алмазу: N – число циклов, 1 – 10-8 мм рт.ст., 2 – 10-10 мм рт.ст.

Видно, что в области давлений 10-7…10-8 мм рт.ст. наблюдаются кризисные явления. Так обстоит дело в случае открытых узлов терния. В случае же закрытых узлов трения (например, шарикоподшипник) ситуация меняется: в них в зоне трения создается микроклимат, приводящий к более благоприятным условиям трения.

Электрофизические явления. Вакуум (вакуумные условия) может вызвать возникновение токов утечки, разрядов, пробоев, других нежелательных электрофизических явлений при эксплуатации электронного и электрического оборудования КА. Испарение и последующая конденсация могут провоцировать электроразрядные помехи, нарушающие режим работы электронных схем.

 
 

Задание: определить при каком давлении реализуется минимум на кривых Пашена, если d = 1 мм
Если газ не ионизирован, то газ – совершенный изолятор. Однако, если под действием некоторых факторов (например, космического излучения) в разрядном промежутке будут возникать ионы, то ситуация мнняется, т.к. газ в межэлектродном промежутке может становится проводящим. На рис. 3 представлены зависимости пробойного напряжения от произведения Pd, где Р – давление газа, d – межэлектродное расстояние, известные как графическое изображение закона Пашена (кривые Пашена).

1 – газ Н2 , 2 – газ Хе.

Рис.3 Зависимость напряжения пробоя Uo от произведения Pd

Приборные блоки заключены в полугерметичные экраны. Динамика снижения давления внутри экранов расчету не поддается. Поэтому единственным надежным способом оценки работоспособности открытых электронных схем является их экспериментальное исследование в вакууме.

Изменение оптически характеристик поверхностей КА. В результате удаления защитных газовых и оксидных пленок, а также за счет сублимации будет меняться шероховатость поверхностей и, как следствие, изменение оптических характеристик. Изменение оптических характеристик вызывается также воздействием на материалы КА, возникающим при его движении в солнечном ветре или в водородной короне Земли.

Ухудшение теплопередачи. Теплопередача в КВ происходит практически полностью за счет излучения. Различают три режима течения газа и в соответствии с этим три вида теплообмена: вязкостный режим течения – передача тепла теплопроводностью и конвекцией, молекулярно-вязкостный режим – теплопроводность, конвекция и излучение, молекулярный режим - теплообмен за счет излучения.

Режимы течения определяются критерием Кнудсена (Kn) – отношение средней длины свободного пути молекулы к характерному линейному размеру системы (КА): Kn = L/d. Границы режимов приближенно можно оценить так: Kn < 0,005 – вязкостный режим, Kn = 0,05…5 – молекулярно-вязкостный режим, Kn > 5- молекулярный режим. Имеются и другие оценки режимов течения газа. При анализе теплообмена в условиях КВ необходимо оперировать локальными значениями критерия Kn.