Естественные эксплуатационные факторы
К естественным можно отнести следующие факторы: климатические; биологические; земной атмосферы; космического пространства; силы земного тяготения; электромагнитное поле Земли; сейсмические удары.
Климатические факторы. Классификация климатических и других внешних влияющих факторов (ВВФ) приведена на рис. 5.1 [14, 124]. Дадим краткую характеристику воздействия указанных факторов и их влияния на функционирование и надежность ЛА.
Рис. 5.1. Классификация климатических и других природных факторов |
Колебания атмосферного давления вследствие изменения погоды составляют ±7%, а при тропических бурях превышают 10%. Изделия работают в условиях как повышенного, так и резко пониженного атмосферного давления. Изменение давления вызывает изменение диаграммы направленности и мощности излучения антенн, нарушает герметичность изделий и т. п.
Температура для различных климатических зон Земли колеблется от —75 до +50°С. При резком изменении температуры определенной среды на поверхности и внутри конструкции ЛА конденсируется влага. Периодические расширения и сжатия соприкасающихся деталей вызывают нарушения герметичности и разрушение деталей, приводят к расслоению и растрескиванию покрытий, появлению утечки наполнителей и др.
Повышенная температура окружающей среды является одним из основных климатических воздействий, обуславливающих нестабильность и деградацию параметров элементов и их отказы. Существенное влияние повышенной температуры на стабильность параметров элементов обусловлено сильной температурной зависимостью основных электрофизических параметров материалов. С повышением температуры изменяется удельная электропроводность металлов, полупроводников и диэлектриков, изменяется диэлектрическая проницаемость. Эти изменения обычно учитываются соответствующими температурными коэффициентами сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, температурной зависимостью обратных токов р-п переходов, коэффициентами передачи тока транзисторов. Даже в случаях, когда возникновение тепловой неустойчивости исключено, длительное воздействие повышенной температуры (особенно в сочетании с электрической нагрузкой) может приводить к деградации параметров элементов. Последнее объясняется экспоненциальной зависимостью от температуры скоростей большинства физико-химических процессов, приводящих к деградации параметров элементов.
Определенную опасность для элементов представляют резкие колебания температуры окружающей среды вследствие наличия в конструкции сопряжений материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР), например окись кремня (кремний) — алюминий, металл — стекло, металл — полимер и т. д. Особенно опасны воздействия температурных изменений для элементов в монолитных пластмассовых корпусах, так как разница в ТКЛР пластмасс и металлов довольно значительна, что приводит к появлению перемежающихся отказов элементов вследствие возникающих деформаций проволочных выводов.
Изменение параметров элементов обусловлено различными дефектами в них, особенно наличием зарядов в пленке окиси кремния. Причин нестабильности этого заряда много: одна из основных — миграция ионов щелочных металлов в слое окисла, а также разделение краевым полем р-п перехода различных ионов, присутствующих на поверхности пленки окиси кремния и образование инверсионных слоев и каналов.
Влажность — один из наиболее опасных ВВФ. При работе изделия влага обволакивает его и проникает внутрь. Она ускоряет коррозию материалов, изменяет электрические характеристики диэлектриков, вызывает тепловой распад материалов, гидролиз, рост плесени и многие другие повреждения изделия.
Опыт эксплуатации элементов показывает, что значительный процент отказов и нестабильность работы элементов обусловлены воздействием повышенной влажности окружающей среды, что объясняется исключительно агрессивным характером воздействия паров воды на большинство используемых в технике материалов.
Наиболее существенное влияние оказывают пары воды на металлизацию и резистивные пленки элементов, вызывая процессы электрохимической и электрической коррозии. Скорость указанных процессов возрастает при повышении температуры, наличии ионных загрязнений и электрического поля. Особенно опасна электролитическая коррозия, в результате которой образуются продукты с электроизолирующими свойствами (например, гидроокись аммония), приводящие к постепенному разрушению и обрыву металлизации или резистивного слоя в месте контакта, находящегося под положительным электрическим потенциалом. Коррозия металлизации и проволочных выводов приводит к снижению механической прочности соединений и обрывам верхних обкладок тонкопленочных конденсаторов. Процессы деградации протекают ускоренно в местах дефектов защитных покрытий, особенно при наличии ионных загрязнений.
В процессе транспортировки и работ на технической позиции ЛА подвергаются также воздействию атмосферных осадков, пыли и солнечного излучения.
Атмосферные осадки выпадают при понижении температуры ниже точки росы (если абсолютная влажность равна 100%) в виде воды, снега, росы, инея, тумана. Осадкам в 1 мм соответствует 1 л воды, распределенной на S = 1 м2 (1 см снега соответствует 1 мм воды). Осадки и туман действуют на изделие так же, как и повышенная влажность воздуха. Особенно сильное воздействие оказывает морская вода и морской туман, резко ускоряющие коррозию вследствие содержащихся в них хлора, магния и других элементов.
Пыль (естественная) состоит из космической и земной частей. В свободную атмосферу осаждается 120—150 мм пьгли за 100 лет. Техническая пыль образуется при износе, обработке деталей и сжигании топлива. Пыль изменяет режим теплообмена, вызывает коррозию и механические повреждения.
Солнечное излучение представляет собой электромагнитные волны с длинами Х = 0,2—5 мкм. На ультрафиолетовую область (X <0,4 мкм) приходится 9% энергии, видимую (Х= 0,4—0,7 мкм) — 41%, инфракрасную (X = 0,7—5 мкм) — 50% солнечной энергии. Под его воздействием происходит окисление материалов, разложение полимеров с хлором, расщепление молекул, старение и т. п.
Биологические факторы. Классификация биологических факторов приведена на рис. 5.2 [14, 124].
Рис. 5.2. Классификация биологических факторов |
Биологические воздействия в сильной степени влияют на надежность и работоспособность изделий, причем это в большей степени относится к грибковым образованиям. Оптимальными условиями развития плесени являются влажность воздуха более 85%, t = 20—30°С и застой воздуха. Наибольшие разрушения пластмасс, дерева, резины, кожи возникают под действием плесени. Плесень образует на поверхности материала водную пленку, которая способствует его химическому разложению и потере важнейших свойств. Поражению изделий плесневыми грибами способствует также создаваемый для них микроклимат.
Другим видом биологических факторов являются насекомые, особенно термиты. Прожорливость термитов делает их одним из наиболее опасных насекомых для оборудования. Определенную опасность для изделий, особенно кабелей и проводов, представляют грызуны — крысы и мыши, — которые повреждают изоляционные материалы, кабели, провода и несущие конструкции, в результате чего ухудшаются электрические характеристики изделий, а электротехнические и радиоэлектронные могут выйти из строя.
Факторы земной атмосферы. К факторам земной атмосферы относятся [14, 88, 101, 124]:
• понижение атмосферного давления с высотой;
• турбулентность атмосферы: ветер, его порывы, струйные течения и др.
Условия работы конструкции ЛА в полете во многом зависят от состояния окружающей атмосферы, простирающейся обычно до очень больших высот. Значения аэродинамических сил, действующих на ЛА в атмосфере, определяются скоростью его движения и высотой полета, в частности плотностью воздуха и его температурой. Совместное влияние плотности воздуха р и истинной воздушной скорости полета v на эти силы характеризуется величиной скоростного напора
q = pv2/2. Так как плотность р воздуха сильно уменьшается с высотой, то скоростной напор q может достигать сравнительно больших значений только в приземном слое атмосферы толщиной около 20— 30 км, который обычно называют плотным слоем атмосферы, ибо в нем содержится основная масса воздуха. Температура влияет на нагрев оболочки корпуса ЛА, на скорость распространения звука а, т. е. на полетное число Маха {Мж = v/д), и на плотность воздуха.
Ввиду непрерывных колебаний значений параметров атмосферы при расчете номинальной траектории пользуются некоторыми средними зависимостями плотности воздуха и скорости распространения звука от высоты, которые задаются обычно в виде таблиц так называемой стандартной неподвижной атмосферы (см. ГОСТ 4401). Отклонение действительных значений атмосферы от стандартных учитывается путем введения дополнительных аэродинамических нагрузок (возмущающих сил). Во многих случаях эти дополнительные нагрузки, в частности от ветра, оказываются определяющими для прочности конструкции тяжелого летательного аппарата.
Действие ветра на ЛА в полете сводится к изменению величины и направления вектора его скорости относительно воздуха. Приближенно его влияние оценивают изменением углов атаки и скольжения
на величины Да = иу jv и др = uz/v и соответствующим изменением скоростного напора O^pnv + w^.)2 +и2у +u2z, где иун uz— составляющие скорости ветра, перпендикулярные воздушной скорости v полета, амх — составляющая, параллельная v.
Величина скорости ветра зависит от географической широты места старта, времени года и даже суток, а в основном от высоты А полета. С увеличением последней она сначала возрастает, достигая своего максимального значения в районе тропопаузы, а затем уменьшается.
В широких пределах изменяются и значения сдвигов скорости ветра по высоте. Величину этих сдвигов принято оценивать отношением разности скоростей ветра на двух сравнительно близко расположенных высотах (300—500 м) и толщины этого слоя (йъ = Аив / АН). Наиболее часто (с вероятностью 40—50%) встречаются сдвиги порядка 0,015—0,025 с"1. В некоторых ветреных районах отмечаются (с вероятностью 2—3%) значения йв порядка 0,07-0,08 с-1. Имеются предположения, что большим скоростям ветра соответствуют и значительные сдвиги. Данные по сдвигу являются важной характеристикой ветрового потока, ибо они определяют его профиль, а следовательно, и характер его воздействия на ЛА.
Наряду с установившимися перемещениями огромных масс воздуха в атмосфере существуют местные вихревые течения небольшой протяженности, но со значительными скоростями, которые получили название порывов ветра. Наличие сильных турбулентностей отмечено во всех слоях атмосферы в зоне кучево-дождевых облаков, над пересеченной местностью и особенно на флангах струйных течений. Параметры этих вихрей до настоящего времени очень мало изучены.
Факторы космического пространства. К факторам космического пространства относятся [14, 18, 64, 68, 88, 101, 120, 124]:
• тепловое состояние космоса (космический холод), характеризуемое средними статистическими температурами 77—100 К на орбитах Земли, 20 К в Солнечной системе, 4 К — за ее пределами и чернотой космического пространства за пределами телесных углов планет и Солнца, связанной с поглощением космическим аппаратом (КА) всех видов излучений: излучений в оптическом диапазоне, тепловых излучений, излучения в радиотехническом диапазоне электромагнитных волн;
• глубокий вакуум, характеризуемый статическим (от 10~4 Па на орбите Земли до 10~12 Па в Солнечной системе и до 10~14 Па за ее пределами) и динамическим (на два порядка ниже статического) давлениями среды;
• солнечное электромагнитное излучение с параметрами: энергетическая плотность (постоянная Солнца) на орбите Земли Sc = 1396 Вт/м2, диапазон длин радиоволн 4 мм—10 м, световое давление 4,3—4,5 мкПа;
корпускулярное излучение солнечного ветра, состоящее из потоков плазмы (ионы, протоны — 92%, электроны, а-частицы — 5%); собственное излучение планет и их альбедо (отраженное от планеты излучение Солнца) с энергетической плотностью для Земли соответственно 420 Вт/м2 и 280 Вт/м2 на длинах волн от 4,5 до 50 мкм; космическое излучение (протоны — 85%, а-частицы или ядра гелия — 15%) со средней энергией 109—1010 эВ на нуклон, что сравнимо с энергией магнитного поля Земли, которое отклоняет большинство частиц излучения;
• потоки заряженных частиц (Н+, Не+) и микрометеоритов с относительными скоростями 12—72 км/с и массой 10-8—10—14 г, где воздействие ионов в основном определяется составом верхних слоев атмосферы планеты и их массовыми и кинетическими характеристиками;
• невесомость (при наличии малых ускорений от силы тяжести) или уменьшенная (увеличенная) сила тяжести по сравнению с земной для планет Солнечной системы.
Рассмотрим воздействие факторов космического пространства на конструкцию КА.
Тепловое состояние космоса. Поверхности КА обычно имеют Т = = 300 К, что обеспечивается соответствующим подбором их оптических характеристик и соответствующей ориентацией на Солнце. Изменение теплового потока, падающего на рассматриваемый элемент КА, приводит к соответствующим изменениям температуры его поверхностей. Так, при заходе КА в тень планеты (или изменении его ориентации) поверхности, ранее значительно нагревшиеся, могут столь же сильно остывать. Диапазон изменения их температур может достигать ±(100—200) К.
На тепловой режим КА влияет и коэффициент альбедо А^, который характеризует долю солнечного излучения, отраженного планетой. Для Земли Асф я 0,40 , а для Венеры А^ = 0,76. Тепловое излучение Земли зависит от многих факторов: состояния атмосферы, времени года, широты и т. д. Тепловой поток от собственного излучения Земли на ИСЗ равен 0,21—0,28 кВт/м2, т. е. составляет по отношению к падающему солнечному излучению 15—20%.
В условиях космического пространства, когда практически отсутствует ускорение силы тяжести, отсутствует и конвективный теплообмен между телами. Вследствие вакуума в негерметичных отсеках КА отсутствует также заметное влияние на теплопередачу молекулярного теплопереноса. Поэтому в теневой части КА температура его поверхности может стать «глубоко» отрицательной. Воздействие космического холода на конструкционные материалы приводит к тому, что они становятся хладоломкими, т. е. теряют пластичность. Поэтому при выборе материалов для конструкции КА необходимо учитывать требование обеспечения высокой удельной прочности при низких температурах.
Кроме того, при криогенных температурах существенно изменяются основные свойства материалов. Теплопроводность в большой степени зависит от чистоты материалов и температуры. Для Ag она имеет максимум в диапазоне 10—50 К и уменьшается с дальнейшим ростом температуры, для ряда технических материалов (медь, латунь, дюралюминий, манганин, коррозионно-стойкая сталь, фторопласт, нейлон, кварц, стекло, оловянно-свинцовый припой) — практически монотонно ростет в диапазоне 2—100 К. Теплопроводность твердых тел падает с понижением температуры примерно пропорционально Г3. Коэффициент линейного расширения твердых тел снижается с уменьшением температуры, и при температурах, близких к 4 К, он становится практически равным нулю для большинства материалов. Прочностные характеристики металлов и сплавов повышаются с понижением температуры, а пластические показатели снижаются. Но для цветных металлов (медь, никель, алюминий), высоколегированных хромоникелевых сталей и титановых сплавов ударная вязкость при низких температурах остается высокой.
Космический вакуум. Понятие «космический вакуум» условное, так как в космосе сосредоточено огромное количество массы вещества. Однако она рассеяна в большом пространстве и концентрация ее в единице объема значительно меньше, чем в самых лучших современных вакуумных приборах.
В атмосфере Земли давление воздуха с увеличением высоты убывает по закону, близкому к экспоненциальному. Представляют интерес параметры атмосферы на тех высотах, где КА функционируют в течение длительного времени. Приведенные в табл. 5.1 данные характеризуют состояние атмосферы начиная с высоты 200 км, которая принимается за нижнюю границу орбитальных полетов. Указанные значения температуры характеризуют лишь кинетическую энергию частиц газа и не определяют температуру поверхности КА из-за наличия разреженной среды. На высотах в десятки тысяч километров, на которых функционируют искусственные спутники Земли, давление и концентрация частиц газа уже мало отличаются от значений соответствующих параметров межпланетного пространства.
Глубокий вакуум обуславливается сильной разреженностью среды и характеризуется длиной свободного пробега молекул газа. Даже на высотах 100—160 км эта длина соизмерима с линейными размерами космического объекта (КО) или испытательной вакуумной камеры, на высотах около 200 км длина свободного пробега молекул газа
Параметры атмосферы Земли
|
становится равной десяткам метров. На высотах около 500 км часть молекул, приобретая скорость больше второй космической, уходит в межпланетное пространство. Это явление называется диссипацией. В результате солнечной активности и диссипации состав газов с ростом высоты существенно меняется: исчезают главным образом водород и гелий, на высотах более 2000 км все газы полностью ионизируются.
В соответствии с вышеизложенным различают три вида космических сред:
• межзвездную, состоящую из межзвездного (ионизированного) газа, равномерно перемешанного с межзвездной пылью;
• межпланетную (вблизи Солнца и между планетами Солнечной системы), состоящую из вещества солнечной короны (ионизированные атомы водорода 90%, гелия 9%);
• атмосферу планет и их спутников, состав которой приведен в табл. 5.2.
Воздействие глубокого вакуума на изделия обуславливается процессами, основными из которых являются следующие.
1. Газовыделение и потеря летучих компонентов, что приводит к изменению теплофизических (теплопроводность, теплостойкость) и диэлектрических (электропроводность, проницаемость) характеристик полимерных и композитных материалов; оптических характеристик поверхностей; характеристик трения соприкасающихся материалов вследствие удаления смазки, красителей, защитных покрытий.
Состав атмосферы планет и спутников
|
Этот процесс связан с тем, что глубокий вакуум способен к поглощению в неограниченном количестве выделяемых материалами ОИ газов, паров, примесей и добавок, адсорбированных на поверхности, или атомов и молекул, диффундировавших к поверхности; глубокий вакуум способен к их поглощению в неограниченном количестве. Кроме того, в глубоком вакууме происходят испарения и сублимация поверхностных слоев материалов (например, для кадмия при 100°С до 0,1 мм в год), а также разложение полимерных соединений на более простые летучие вещества с последующими их сублимацией и испарением (массопотери могут составить 3-Ю-6 в сутки).
2. Отсутствие конвективного теплообмена и теплопроводности среды (обмен тепла с космической средой осуществляется только за счет излучения), что затрудняет передачу теплоты через соприкасающиеся поверхности аппаратуры, так как между ними (в микронеоднородностях) образуются вакуумные промежутки. Это приводит не только к общему перегреву изделий, но и к локальным перегревам, вызывающим, например, тепловые пробои мощных полупроводниковых приборов.
3. Газовыделение и сублимация материалов в вакууме. Газы и твердые частицы, попадающие из космоса и из отсеков КО за счет утечек, а также продукты выхлопа двигателей создают собственную внешнюю атмосферу КО, на которую воздействуют гравитационные силы, давление света, силы аэродинамического торможения и т. д.
Собственная внешняя атмосфера воздействует на материалы и элементы аппаратуры, что приводит к следующим эффектам:
• загрязнению поверхности осаждающимися продуктами, отрицательно влияющими на оптические устройства, солнечные батареи, терморегулирующие покрытия и т. п.;
• увеличению светового фона за счет рассеяния света на частицах собственной внешней атмосферы и люминесцентного свечения, приводящего к свечению отдельных крупных частиц в газовом облаке, которые могут служить ложными ориентирами для астронавигационных приборов;
• возрастанию токов утечки в высоковольтных устройствах и снижению их электрической прочности за счет уменьшения вакуума, что может вызывать кратковременные электрические разряды, нарушающие работу устройств за счет электромагнитных помех.
Низкие давления космоса вызывают ускоренную сублимацию конструкции (испарение) поверхностных слоев материалов конструкций КА (металлов, неметаллов и т. п.). Сублимация приводит к потере массы материала, нарушению его поверхностных свойств и другим эффектам. Состояние поверхности (поверхностные напряжения, загрязнения) могут изменять скорости сублимации.
В космическом пространстве одновременно с вакуумом действуют также электромагнитные и корпускулярные излучения. Так как энергия связи атомов (молекул) в материале может быть более низкой, чем энергия соответствующих видов излучений (квантов или частиц), то совместное действие вакуума и излучений может усиливать эффект сублимации. Это особенно существенно для материалов, которые весьма интенсивно поглощают излучения (например, для Fe203 и ZnO, интенсивно поглощающих ультрафиолетовое излучение).
Существенное влияние на функционирование КА и его бортовых систем оказывают также следующие явления, обусловленные космическим вакуумом:
• Утечка хранящихся на борту КА газов. Утечка газов в вакууме происходит не только из-за мельчайших зазоров в арматуре и уплотнениях, но и непосредственно через стенки заключающих их сосудов. Так, гелий, имеющий t = 600° С и р = 60 МПа проникает сквозь стенку трубы из нержавеющей стали в вакуум со скоростью 10~5 л/м2-с. Утечка водорода при тех же условиях больше в 106 раз и составляет 6,3 л/м2-с, а утечка азота примерно в 3 раза меньше, чем водорода. Однако такое сравнение не означает, что гелий сохраняется лучше других газов. Дело в том, что атомы гелия имеют очень малый размер, благодаря чему он интенсивно вытекает через мельчайшие щели. У водорода размеры молекул больше, чем у гелия, поэтому он не так интенсивно проникает через щели, однако очень интенсивно диф — 194
фундирует через стенки материала вследствие высокой химической активности.
• Разгон истекающих и стравливаемых газов до предельных скоростей. Истекающие в вакуум газы разгоняются до сверхзвуковых скоростей. Поэтому создаются возмущающие усилия и моменты, которые необходимо компенсировать органами ориентации и управления, затрачивая на это бортовой запас топлива. Возникает требование — располагать стравливающие сопла и предусматривать утечку газов таким образом, чтобы усилия и моменты, возникающие при их истечении, по возможности, взаимно уравновешивались или использовались полезно.
• Изменение коэффициента аккомодации. Коэффициент обмена энергии между газом и твердой поверхностью {коэффициент термической аккомодации) существенно зависит от состояния поверхности КА. Наличие или отсутствие поверхностных пленок (адсорбированных, окисных) может существенно изменить величину коэффициента аккомодации. Так, коэффициент аккомодации для гелия на «чистом» вольфраме at ~ 0,017, а на вольфраме с адсорбированной пленкой а, = 0,5. Коэффициент аккомодации может существенно влиять на тепловой режим КА при движении его в плотных слоях атмосферы.
• Распыление материалов. При движении КА в плотных слоях атмосферы, а также под действием бомбардировки заряженными частицами в космосе происходит распыление материала поверхностей КА. оСлой распыленного материала обычно мал (максимально до 50— 100 А в год). Кроме того, при движении КА в «солнечном ветре» или в водородной короне Земли происходит диффузия ионов водорода в поверхностные слои материала, в результате чего поверхностные слои материала обогащаются водородом (насыщение примерно до 10%). Эти явления приводят к изменению оптических характеристик материалов.
• Изменение механических (поверхностных и объемных) свойств материалов. При предельно низких давлениях космоса наружные или внутренние поверхности раздела в материалах нарушаются, в результате чего изменяются их механические свойства. Это происходит из — за возникновения либо микроскопических поверхностных трещин, либо развития интеркристаллитной коррозии. Отсутствие окисных и других поверхностных защитных пленок оказывает ощутимое воздействие на механические свойства материалов. Кроме того, из-за изменения свойств поверхностных слоев материала изменяются и их объемно-механические свойства (прочность при ползучести, усталостная прочность и др.).
• Возрастание адгезии (когезии) в вакууме, усиление трения и износа. При нормальных атмосферных условиях поверхности материалов защищены оксидными пленками, а последние, в свою очередь, покрыты адсорбированными газовыми слоями. В вакууме поверхностные адсорбированные газовые слои улетучиваются, а оксидные пленки разрушаются. Вследствие этого адгезия (когезия), т. е. прилипание материалов, возрастает и трение усиливается. Это может вызывать эффект «холодной вакуумной сварки», что нередко уже приводило к аварийным ситуациям.
• Нагрузка от перепадов давления. Эта нагрузка в космосе довольно значительна. Любое абсолютное давление в замкнутых объемах (баках, кабине экипажа и др.) является избыточным. Давление внутренних полостей не только нагружает конструкцию, но может использоваться как положительный фактор при отбрасывании элементов, организации работы газовых турбин и т. д.
Все рассмотренные выше явления относятся к негативным воздействиям космического вакуума на конструкцию КА.
Воздействие электромагнитного и корпускулярного солнечного излучения, собственного излучения планет и их альбедо, космического излучения. Классификация внешних воздействующих факторов электромагнитных полей представлена на рис. 5.3 [14, 124]. Спектр электромагнитных волн, а также источники и основные методы их возбуждения приведены в табл. 5.3 и 5.4. Видимая область спектра и часть инфракрасной области (0,4 < X < 40 мкм) образуют область теплового излучения тел. Область более коротких длин волн представляет интерес с точки зрения воздействия на стабильность оптических и теплофизических характеристик материалов.
На тепловое состояние КА определенное влияние оказывает и излучение планет. Уходящую от планеты радиацию можно условно разбить на две составляющие:
Рис. 5.3. Классификация ВВФ электромагнитных полей |
Спектры электромагнитных волн
|
Диапазоны радиоволн
|
1. Собственное инфракрасное излучение, источником которого в основном является поглощенная часть солнечной энергии, переиз — лученная планетой в длинноволновом диапазоне спектра. Внутреннее тепловыделение планет также дает свой вклад в данный вид излучения. Однако для малых планет теплоподвод к поверхности от горячих недр невелик и в ряде случаев им можно пренебречь.
2. Отраженное от планеты солнечное излучение, зависящее от отражательной способности, простейшей количественной характеристикой которой является сферическое альбедо.
Кроме теплового воздействия на КА электромагнитное излучение Солнца вызывает фотоэлектронную эмиссию, ведущую к электрической зарядке КА или, наоборот, к утечке заряда, если аппарат заряжен до высоких потенциалов. Явление фотоионизации считается вредным фактором. Плотность фототока, вызываемого электромагнитным излучением Солнца (на орбите Земли), для обычных конструкционных материалов составляет = 2,5 • 10"9 А/см2. Это означает, что КА приобретает положительный электростатический заряд, скапливающийся на выступающих частях (например, на антеннах) и создающий помехи для рациосвязи. В целом заряды, возникающие на объектах вследствие фотоионизации, соответствуют пространственным потенциалам этих объектов, доходящих в некоторых случаях до 100 В.
Как указывалось выше, в верхних слоях атмосферы Земли за счет фотоионизации образуются свободные электроны и ионы, создающие радиационную опасность (классификация радиационных ВВФ приведена на рис. 5.4). Ионизация происходит главным образом под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучения Солнца. Ионосфера находится в непрерывном изменении, обусловленном деятельностью Солнца. Она обладает способностью отражать и рассеивать радиоволновое излучение.
Рис. 5.4. Классификация радиационных ВВФ |
Кроме этого космическое пространство пронизывается космическими лучами галактического и солнечного происхождения. Космические лучи солнечного происхождения генерируются Солнцем во время вспышек, когда в космическое пространство выбрасывается солнечная плазма (солнечный ветер). Периодичность вспышек составляет примерно 1,6 года. Воздействие этих корпускулярных потоков на космические объекты приводит к возникновению некоторых физических явлений, которые отрицательно сказываются на характеристиках искусственных космических объектов. Наиболее важными являются следующие явления.
1. Вторичная электронная и ионная эмиссия — явление, сопровождающее ионную и электронную бомбардировку материалов в вакууме, заключающееся в том, что падающий на поверхность электрон или ион выбивает из нее так называемые вторичные ионы или электроны. Вторичный электронный или ионный ток называют катодным распылением. Это явление приводит к эрозии материалов поверхности КА.
2. Возникновение проникающего излучения (вторичных рентгеновских и у-квантов) следует рассматривать как крайне нежелательный эффект, так как в конструкции КА необходимо предусматривать биологическую защиту (для безопасности полета в зоне радиационных поясов и при солнечных вспышках), которая может оказаться довольно значительной.
3. Активация поверхности при ее бомбардировке заряженными частицами происходит из-за образования радиоактивных изотопов. Количество образовавшихся изотопов, их активность и вид радиоактивного излучения определяются материалом поверхности, а также энергией и другими характеристиками налетающих на эту поверхность частиц. Для предотвращения активации рассматривается возможность создания электромагнитной защиты, отклоняющей заряженные частицы.
Наконец, воздействие корпускулярных потоков приводит к выходу из строя или ухудшению характеристик панелей солнечных батарей, вакуумной и электронной аппаратуры, фотоматериалов и других приборов. Поэтому необходима организация защитных мероприятий: дублирование, секционирование или заключение в специальные кожухи указанных и других технических средств.
4. Воздействие микрометеоритов — частиц твердой материи (космическая пыль и метеориты), возникающих в процессе распада комет и дробления астероидов. При распаде комет образуются рыхлые,
пористые частицы с плотностью р < 1 г/см3, при дроблении астероидов — более плотные частицы, средняя плотность которых р = 3— 7,8 г/см3. Подавляющее большинство твердых частиц движется вокруг Солнца по замкнутым эллиптическим орбитам со скоростью v = = 42 км/с. Средняя скорость движения Земли по орбите v3 = 30 км/с, поэтому в зависимости от того, «нагоняет» ли частица Землю или движется ей навстречу, относительная скорость встречи составляет 12—72 км/с.
Микрометеориты до начала широкого исследования космоса считались одним из главнейших факторов, препятствующих выполнению продолжительных космических полетов. В настоящее время установлено, что вероятность пробоя обшивки КА довольно низка, так как вероятность столкновения с крупным твердым телом невелика. Зато столкновения с мелкими частицами, образующими космическую пыль, — явления более частые. Длительная бомбардировка мелкими частицами может вызвать эрозию элементов КА. Метеоритная эрозия поверхности КА особенно опасна для оптических устройств, солнечных батарей, сопел двигателей и др.
Для определения работоспособности изделий при воздействии микрометеоритных потоков учитывают два вида последствий: образование кратеров и испарения из них вещества. Кроме того, результаты ударов микрометеоритных частиц могут проявляться в пробивании стенок приборов и появлении повреждений от волны давления, возникающей в материале изделия под действием ударов микрометеоритов. При ударах микрометеоритов может также возникать стимулированное (экзоэмиссионное) излучение электронов, фотонов и ультразвуковых фононов. Потоки электронов и рентгеновских фотонов могут создавать ионизацию поверхности и образовывать электростатические заряды, вызывающие электрические пробои высоковольтных устройств, элементов полупроводниковой электроники и оптоэлектроники, сбои бортовых ЭВМ. Потоки ультразвуковых фононов приводят к дополнительным акустическим шумам, вибрациям и потере усталостной прочности микровыводов. В местах ударов микрометеоритов образуются микрократеры, за счет чего происходит постепенное удаление вещества с поверхности, эрозия поверхности. При этом происходит снижение эффективности солнечных батарей, потеря прозрачности и окрашивание стекол, зеркал, призм оптических приборов, затемнение и образование вуали на стеклах иллюминаторов.
5. Воздействие невесомости — динамического явления, возникающего при свободном движении тел в поле только одних гравиаци — онных сил. В состоянии невесомости сила взаимодействия с опорой отсутствует, а перегрузка равна нулю.
Положительным свойством невесомости является то, что она допускает применение в космосе ажурных, тонкостенных и очень легких конструкций. Однако в настоящее время это преимущество в достаточной мере не используется из-за силовых факторов активного участка выведения КА на орбиту.
Главной физической проблемой, вызываемой воздействием невесомости, является проблема обеспечения работоспособности целого ряда бортовых систем, в первую очередь двигательных установок, работающих на жидких и особенно на криогенных компонентах топлива. Указанные проблемы обуславливаются специфическими особенностями межмолекулярного взаимодействия на границах раздела «жидкость—пар» и «жидкость—твердая стенка». В результате в состоянии невесомости любая порция жидкости, окруженная со всех сторон паром, принимает форму сферы, ибо только в этом случае оказываются минимальными ее внутренняя энергия и площадь разделяющей фазы поверхности. Такое состояние возможно лишь в том
случае, если угол краевого смачивания 0 = 180°, т. е. при полной несмачиваемости жидкостью стенок емкости. При 0 = 0 (полная смачиваемость) жидкость окружает сферический паровой объем и полностью обволакивает стенки сосуда.
На практике эти идеальные случаи практически не встречаются, поскольку реальные углы смачивания лежат в пределах 0 < 0 < 180°. При этом стабильное равновесие фаз соответствует пересечению сферической поверхности раздела фаз «жидкость—пар» с твердыми поверхностями конструкций сосудов под углом 0 < 0 < 180°.
Указанная специфика устойчивых положений жидкости в условиях невесомости вызывает необходимость разработки и всесторонней наземной и летной отработки систем обеспечения запуска двигательных установок, призванных обеспечивать сплошность потока подаваемых в камеру компонентов. Ее нарушение вызывает кавитационный срыв и поломку насосных агрегатов ТНА, неустойчивость функционирования двигателя или его нештатный останов. Указанные проблемы приходится преодолевать при отработке и прочих бортовых гидрогазовых систем ЛА (систем терморегулирования, систем жизнеобеспечения и др.)
Воздействие невесомости может вызывать отказы электромеханизмов, пневмо — и гидроэлементов вследствие изменения характеристик жидких, газообразных и сыпучих сред, а также перегрев аппаратуры из-за ухудшения конвективного теплообмена.
Для аппаратуры КА, расположенной в гермоотсеках, ухудшение конвективного теплообмена будет сказываться на увеличении интенсивности отказов X по сравнению с его значением Xq в наземных условиях при тех же значениях температуры окружающей среды и электрической нагрузки.
Воздействие невесомости на поведение жидких, газообразных и сыпучих тел проявляется в образовании «застойных» зон (например, в виде жидких капель, «висящих» в газовой среде), отсутствии распределения в потоках или смесях по массе частиц (что не позволяет осуществлять их массовую сепарацию), отсутствии направленного (по силе тяжести) движения перечисленных сред, что требует их механического, пневматического или гидравлического «проталкивания» под действием избыточного давления. Все перечисленное вызывает два вида последствий, снижающих надежность аппаратуры:
• нарушение смазки (как жидкостной, так и с использованием порошков), что приводит к «заклиниванию» элекгромеханизмов;
• отказы гидро — и пневмоэлементов вследствие образования капель, пузырьков и т. п.
Кроме того, невесомость сказывается на тепловом режиме изделий косвенным образом, в том числе за счет изменения гидро — и аэродинамики теплоносителей (их прохождения по соответствующим каналам), процессов кипения и конденсации хладагентов. По этой причине происходит большинство отказов в системах жидкостного охлаждения аппаратуры, если жидкие хладагенты не полностью заполняют охлаждаемые объемы. В условиях невесомости жидкости стремятся принять сферическую форму, при которой поверхностная энергия имеет минимальное значение. Если материал поверхности охлаждаемого объема не полностью смачивается жидкостью, то будет отсутствовать тепловой контакт, условия теплопередачи (следовательно, охлаждения) будут ухудшены, и температура объекта повысится, что может привести, в частности, к тепловым пробоям интегральных схем.
Поскольку в условиях невесомости капли, пузырьки и твердые частицы не тонут или всплывают в жидкости (газе), это затрудняет очистку жидкостей. Микрочастицы могут перекрывать капиллярные каналы, что, в частности, приводит к отказам в работе охлаждаемых жидким азотом бортовых систем тепловидения. Ухудшается выравнивание температур жидкости по ее объему, вследствие чего возникают тепловые перегревы и отказы изделий микроэлектроники. Для очистки жидкостей от микрочастиц используются сменные объемные фильтры, но они не позволяют устранять образование «кипящих» участков жидкости и удалять из них пузырьки пара, которые также могут перекрывать капиллярные каналы систем жидкостного охлаждения аппаратуры КА.