Испытания на воздействие космических факторов

6.2.1. Испытанмшя на воздействие глубокого вакуума и пониженной температуры

Испытания на в-оздействие космического глубокого вакуума и пони­женной (криогенной) температуры могут проводиться совместно (обычно они называются воздействием термовакуумных факторов) или раздельно. Особенности этих испытаний определяются свойствами окружающей космический аппарат (КА) среды и ее воздействиями на материалы угзлов (блоков) аппаратуры, размещенных на поверх­ности или в негерметизированных отсеках КА.

Испытание на воздействие глубокого вакуума проводят для изде­лий в целом в диапазоне давлений 10“5—10“12 Па в зависимости от параметров орбиты КА, на котором они устанавливаются (табл. 6.15). Испытания проводят, чтобы оценить работоспособность КА (при ис­следовательских,, периодических или квалификационных испытаниях).

Кроме того., испытания на воздействие глубокого вакуума необ­ходимы для оценки воздействия космической среды на отдельные узлы (блоки, элементны) изделий и проверки правильности принятых схем­ных и конструктивных технологических решений (при исследователь­ских и квалификационных испытаниях). При этом диапазон давле­ний выбирается в зависимости от того, какое свойство проверяется у данного узла (СЗлока, элемента) (см. табл. 6.15).

Для провед* ения испытаний на воздействие глубокого вакуума и пониженной температуры используются термовакуумные испытатель­ные установки — В состав такой установки входят: термовакуумная камера, насосы, измерительные системы контроля температуры, давления, расхода охлаждающих жидкостей и устройства анализа со­става атмосфергы в камере (обычно масс-спектрометры).

Термовакуугмную установку для проведения испытаний выбира­ют исходя из у* словий работы, давления, температуры в камере, га­баритных размеров объекта испытаний (ОИ), требуемой производи-

Таблица 6.15 Рекомендуемое давление при испытании отдельных групп узлов (блоков) в условиях глубокого вакуума Проверяемый узел (блок) Проверяемый параметр Давление, Па Корпус, конструктивные (крепящие) неподвижные детали Механическая прочность и герметичность 103 Отсутствие воздушного демпфирования при вибрациях и ударах 10"1 Параметры конструктивных материалов (прочность, ползучесть) 10~4 Подвижные узлы Диффузия, приводящая к холодной сварке 10-5 Отсутствие смазки, вызывающее сухое трение 10-5—10~12 Функциональные узлы Тепловой режим и эффективность теплопередачи излучением 10-2 Наличие и влияние на работоспособность электрических разрядов, утечек, ионизации 10"3 Наличие и влияние на работоспособность сублимации и испарения вещества 10~2 Наличие и влияние на работоспособность деструкции материалов 10"1 Наличие и влияние на работоспособность абсорбции и химического взаимодействия остаточных газов с поверхностью узла 10-5-10-12

тельности и метрологических характеристик (стабильности поддер­жания давления и температуры в течение времени испытаний) и по­грешностей их измерения.

Термовакуумные испытательные установки могут поставляться комплексно для определенных видов ОИ или монтироваться из от­дельных, серийно изготовляемых составных частей, и имеют следу­ющие характеристики (данные приведены для комбинированных ус­тановок):

Рабочий объем, м3 ……………………………………………………….. 0,2-100 000

Диапазон значений давления

или минимальное давление, Па……………………………………… до 10~12;

Быстрота откачки (время откачки всего объема

камеры до заданного давления) или время выхода

на рабочий режим по давлению и температуре… до суток

Скорость откачки, м3 с-1…………………………………………… до 105

Минимальная температура, К:

в испытательных камерах, не более…………………………… 10 в специальных исследовательских камерах, менее 1

Для создания в камерах давлений, соответствующих глубокому вакууму, используются предварительная (форвакуумная) и основная откачка. При предварительной откачке (механическими насосами поршневого или ротационного действия) давление в камере снижа­ется до 10“М0“3 Па. Затем насосы предварительной откачки отклю­чаются и включаются насосы основной откачки, снижающие давле­ние в камере до 10“9-10"12 Па.

Рассмотрим основные особенности применяемых в термовакуум­ных стендах вакуумных насосов.

Сорбционные насосы, охлаждаемые жидким азотом, предназначе­ны, главным образом, для создания предварительного безмасляного вакуума в диапазоне давлений Ю5—10“1 или 10—3—10“4 Па. Принцип их действия основан на поглощении газа из камеры охлажденным сор­бирующим узлом (газопроницаемым термическим экраном, защи­щающим камеру от попадания пыли сорбирующего элемента, и сор­бирующим элементом из активированного угля). Затем сорбирующий узел отключается от камеры и от устройства подачи охлаждающей жид­кости. При этом поглощенный газ выделяется и откачивается вспомо­гательным насосом. Данный процесс многократно повторяется.

Сорбционные крионасосы, охлаждаемые твердым азотом, предназ­начены главным образом для откачки вакуумных установок с боль­шой газовой нагрузкой, в том числе плазменных и плазмохимичес­ких. Они могут откачивать большие потоки (до 1 м3 Па-с-1) любых газов (гелия, химически активных и агрессивных) в широком диапа­зоне рабочих давлений (102—10_6 Па). Такой насос содержит сорби­рующий узел, охлаждаемый сосудом с азотом, температура которого снижена до 50±5 К, путем откачки паров жидкого, затем затвердев­шего азота. Наружная поверхность сорбирующего узла и охлаждаю­щего его сосуда с твердым азотом окружена экраном, охлаждаемым другим сосудом с жидким азотом при температуре 77,4 К.

Конденсационно-сорбционные крионасосы, охлаждаемые жидким ге­лием, имеют самые низкие предельные давления (ниже 10”11 Па), самую высокую удельную скорость откачки всех газов, в том числе водорода и гелия.

Эти насосы имеют следующие особенности:

• сорбирующий элемент очень активно поглощает газ из камеры, поскольку сорбирующий узел имеет двойное охлаждение — сор­бирующий элемент охлаждается жидким гелием, а сосуд, в котором находится жидкий гелий, — жидким азотом;

• хладагент практически не попадает в вакуумную камеру, так как поверхность сорбирующего узла, обращенная в камеру, отполирована и покрыта пленкой, обеспечивающей крайне ма­лую испаряемость хладагента.

Методика испытаний состоит в следующем. Очищенный от заг­рязнений ОИ помещают в вакуумную камеру и включают насосы пред­варительной откачки. После снижения давления до 10”1 Па эти на­сосы отключают и включают насосы для основной откачки до давлений 10—3—10“12 Па. Затем изделие выдерживают в камере установленное время, осуществляют медленную разгерметизацию и извлекают из камеры.

Время испытания выбирается таким, чтобы в результате пере­численных выше физических процессов произошли такие изменения значений параметров изделий, которые могут быть проконтролиро­ваны сравнением результатов их измерений до и после испытаний. В процессе испытаний осуществляется непрерывный контроль давле­ния с помощью вакуумметров с датчиками, характеристики которых приведены в табл. 6.16.

Испытание на воздействие криогенных температур проводится только для узлов (блоков и элементов) изделий, расположенных на внешней поверхности или в негерметизированных отсеках КА. Цель испытаний — оценить правильность выбора материалов, схемотехни­ческих и конструктивных решений (исследовательские, типовые и квалификационные испытания) или оценить сохранение полученной при разработке надежности изделий в процессе серийного производ­ства (периодические испытания).

Изменение значений параметров изделий при криогенных темпе­ратурах связано с изменением тепловых процессов (в частности, с

Таблица 6.16 Характеристики вакуумных датчиков-преобразователей Вид преобразователя Тип вакуумметра Давление, Па Термопарный тепловой GMT-6-3 і О 1 Элекгроионизационный ПМИ-10-2 КР-КГ* Магнитный элекгроразрядный ПММ-14М До 10-11 Квадрупольный масс-спектрометр К-М2 102— 10-10

ростом градиента температур между «теплой» и «холодной» частями изделия) и с изменением свойств материалов.

Для проведения испытаний используются специальные криоген­ные камеры, стенки которых имеют повышенную теплоизоляцию, или криотермовакуумные испытательные установки с многоступен­чатой откачной системой. Выход на рабочий режим в такой установ­ке, соответствующий давлению 10“4 Па и температуре до 50 К, до­стигается за 24 ч. Процесс испытаний аналогичен испытанию на воздействие глубокого вакуума.