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
|
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
|
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.