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 Высота, км Давление, Па Плотность, г/см3 Температура, к Концентрация частиц, см-3 Уровень моря 1,33-Ю5 1,2 КГ3 293 2,7 1019 200 8,5 ИГ5 3,0 ю*13 1200 7,0 109 500 4,0 Ю-7 3,0- ю-16 1600 2,5 Ю7 1000 4,0-10-9 1,5 1 о-18 1600 1,5 105 4,0 — ИГ10 4,0-Ю"20 3000 4,0-103 2,5 10’10 1,0 1 о-20 15000 1,0 103 1,5 ИГ11 2,5 • W22 2-Ю5 3-4

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 Планета Состав атмосферы Давление у поверхности, Па Луна Концентрация, частицасм-3: водород — 6,5* 104; гелий — 4-Ю4; неон — 8-Ю4; аргон — (1,1—4)-104 оо 1 О • оо Марс Углекислый газ примерно 95% по составу: концентрация у поверхности — 1014 частица см-3, на высоте 200 км — приближается к нулю 6,55 102 Венера Углекислый газ — примерно 97,4% 1,19 107 Юпитер Водород, гелий, аммиак Титан Азот, аммиак, метан

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 Частота, Гц Длина волны, м Название диапазона Источники. Основные методы возбуждения 103 -1012 3-Ю5-30-кг4 Радиоволны Переменные токи в проводниках (генераторы радиочастоты, СВЧ) 1012 -3,75 1014 30-10"*-810”7 Инфракрасное излучение Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях 3,75-7,5 1014 8-Ю-7-4-Ю-7 Видимый свет — 7,5-Ю14-3-Ю17 4 • 10~7 -10-9 Ультрафиолетовое излучение Излучение атомов при воздействиях ускоренных электронов 310|7-3.102° 1(Г9 -1(Г12 Рентгеновское излучение Остальные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц, ядерные процессы: радиоактивный распад, космические процессы

Диапазоны радиоволн Волны Длина волны в вакууме, м Частота, Гц Сверхдлинные (СДВ) Ю5 — ю4 3-Ю3-ЗО-Ю3 Длинные (ДВ) 104-103 3 -104 — 30 — ю5 Средние (СВ) ю3 — ю2 3-Ю6 Короткие (КВ) 102 -10 3-Ю7 Ультракороткие (УКВ): 3-Ю8 метровые 10-1,0 1,0-Ю-1 дециметровые 3-Ю9 сантиметровые 10"1 -10“2 3-Ю10 миллиметровые 10“2 -10“3 3-Ю11 субмиллиметровые 10“3 -10"5 3-Ю12

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.