Испытание на комбинированное воздействие факторов космического пространства
В ряде случаев (особенно для изделий, располагаемых на внешних поверхностях КА) физические процессы в материалах, протекающие в реальных условиях эксплуатации, создают такие изменения свойств и значений параметров изделий, которые не могут быть оценены по результатам испытаний на воздействие каждого фактора космического пространства (ФКП) в отдельности. К таким случаям, в частности, относятся:
• изменение свойств диэлектриков, обусловленное одновременным воздействием космической радиации, глубокого вакуума, пониженной температуры и собственной атмосферы КА; в зависимости от соотношения интенсивностей воздействий эти изменения вызывают генерацию или взаимную компенсацию объемных и поверхностных зарядов, возникновение или прекращение соответствующих токов;
• воздействие космической радиации и ультрафиолетового излучения Солнца на терморегулирующие покрытия, что приводит к ускорению или замедлению деградации их теплопроводности;
• повреждение солнечных батарей и фотоприемников астроориен — таторов высокоэнергетичным протонным излучением радиационных поясов Земли при одновременном воздействии пониженной температуры, что вызывает быстрое снижение токоотдачи у батарей и повышение уровня шумов у фотоприемников только при определенных соотношениях потока протонов и температуры.
Для рассматриваемых и подобных им случаев проводят испытания на комбинированное воздействие ФКП, целью которых является более достоверная оценка эксплуатационной надежности ОИ и выявление их наиболее слабых узлов, требующих доработок при исследовательских и квалификационных испытаниях, а также сопоставление причины отказов изделий в эксплуатации с отказами на испытаниях, проводимых на комбинированное и раздельное воздействие ФКП для установления критических значений параметров этих воздействий и причин отказов изделий (в том числе по результатам периодических испытаний).
Испытания на комбинированное воздействие ФКП проводят с использованием сложных установок, которые можно разделить на три группы: установки комбинированного воздействия различных видов радиации, установки комбинированного воздействия нерадиационных факторов; «камеры космоса», в которых изделие подвергается совместному воздействию различных видов радиационных и нерадиационных факторов.
Установки для проведения испытаний на комбинированное воздействие радиационных факторов решают поставленные выше задачи в ходе исследовательских, квалификационных и периодических испытаний, а также следующие специфические задачи.
1. Разделение и выявление в изделиях радиационных дефектов, зависящих в основном от дозы или мощности дозы излучения. Так, радиационное повреждение кремниевых фотопреобразователей в первом приближении не зависит от мощности дозы, а радиационная проводимость и радиолюминесценция диэлектриков являются функцией этого параметра. Выявление таких эффектов позволяет значительно упростить методику испытаний и выбор необходимого комплекта моделирующего оборудования.
2. Обоснование в процессе испытаний возможности замены излучений со сплошными энергетическими спектрами подобными космическими моноэнергетическими излучениями, получаемыми на ускорителях заряженных частиц или от радиоактивных изотопов.
3. Обоснование возможности замены в процессе испытаний комплекса радиационных воздействий (электронов, протонов, тяжелых ионов, вторичных нейтронов, рентгеновских и у-квантов) на воздействие какого-либо одного вида радиации (электронов или протонов от ускорителей и изотопных источников, нейтронов от ядерных реакторов, у-квантов от бетатронов и т. п.).
Типичным оборудованием, используемым при проведении радиационных испытаний, могут служить ускорители и источники заряженных частиц, применяемые Годцардским научно-исследовательским центром космических полетов NASA для всестороннего изучения влияния радиации на устройства аппаратуры КА. Лаборатория насчитывает три ускорителя и одну кобальтовую пушку, которые могут облучать испытуемые объекты как одновременно от нескольких ускорителей, так и раздельно. В качестве ускорителей протонов и электронов используются два электростатических генератора, позволяющих ускорить электроны в энергетическом диапазоне 0,5—3 МэВ и протоны в диапазоне 0,5—4 МэВ. Для одновременного ускорения протонов и электронов спроектирован протонно-электронный инжектор на энергию 0,1—1 МэВ. Площадь облучения дефокусированными пучками протонов и электронов составляет около 0,1 м2. Что касается кобальтовой пушки, то ее активность составляет 30 000 Ки, а площадь облучения достигает 7 м2.
Установки для проведения испытаний на комбинированное воздействие нерадиационных факторов предназначены для испытаний аппаратуры при экстремально низких давлениях (~10-6 Па) и экстремальных температурах цикла (обычно от —70 до +90 °С), определенных ранее в ходе термовакуумных испытаний функционирующих подсистем.
В установке, описанной в [6], ОИ подвергался воздействию вибрации и ударов, соответствующих нагрузкам при маневрировании и стыковке космического объекта (КО) в сочетании с воздействием пониженных температур (охлаждение жидким азотом) и солнечного ультрафиолета.
При испытаниях в камере космоса изделие помещается в вакуумную камеру, в которую через окно вводится излучение. Вакуум в камере может создаваться с помощью безмасляной криогетгерной откачки, обеспечивающей разрежение 10"1 Па. Корпускулярное излучение (электроны, протоны, а-частицы) воспроизводится электростатическим генератором в диапазоне энергий 10—500 кэВ. Электромагнитное излучение Солнца моделируется двумя имитаторами, воспроизводящими область спектра 1050—40 000 А.
Пучки протонов и а-частиц с непрерывным спектром и с энергиями от сотен килоэлекгрон-вольт до нескольких десятков мегаэлек — трон-вольт могут быть получены с помощью пластины переменного сечения, устанавливаемой на пути первичного пучка. Такая пластина в принципе позволяет получить из моноэнергетического пучка протонов и а-частиц непрерывный спектр частиц с энергиями от Едо Етах с любым заранее заданным законом изменения спектральной плотности. Энергетический спектр протонов после пластины имеет почти аналогичную зависимость от толщины в приповерхностной области в пределах 10-2— 1 кг/м2 как для межпланетного полета, так и для орбиты в зоне внутреннего радиационного пояса.
Описанная методика находит применение в имитационных облучениях различных элементов аппаратуры КА (терморегулирующего покрытия, кремниевых фотопреобразователей и т. п.).
Для преобразования моноэнергетических пучков в пучки энергетических спектров вторичных излучений используются согнутые под углом 60° танталовые пластины. Толщина пластин зависит от энергии пучка. Коэффициент преобразования электронных пучков описанным методом составляет несколько процентов.
Задача имитации электронного воздействия значительно упрощается, если для этой цели использовать Р-излучение соответствующих радиоактивных изотопов. Применение радиоактивных источников имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием ускорителей: спектр излучения изотопов непрерывен так же, как и спектр электронов радиационных поясов Земли.
Имеется возможность из всего многообразия изотопов выбрать такой, который по своей спектральной характеристике был бы наиболее близок к энергетическим спектрам электронов радиационных поясов Земли. Так, при полетах на высотах 10 000 км средняя энергия электронов радиационного пояса составляет 0,8—0,9 МэВ, а средняя энергия (^-излучения источника Sr90—J90 равна 0,8 МэВ.
Интенсивность электронных потоков на высотах 10 000 км не превышает 1012 м2′ с-1. Такую интенсивность можно получить с помощью сравнительно небольших изотопных источников. Для имитации воздействия электронов радиационных поясов Земли на работоспособность изделий используется изотопный источник Sr90—!90 в вакуумных установках, имитирующих космические излучения при комплексном воздействии потока электронов до 108 см2 • с-1, раздельном и циклическом изменении температуры в интервале 170—420 К и пониженном давлении 10“3—10“5 Па. Кроме того, эти установки позволяют воспроизводить электрический режим работы изделий и измерять их параметры в процессе испытаний. В установке для обеспечения циклического изменения температуры используется устройство, исключающее тепловое взаимодействие в вакууме изделий при нагреве и охлаждении, а для создания вакуума до 10”5 Па используется сорбционный насос.
Исследуемые изделия или устройства аппаратуры помещаются на специальной плате, выполненной из изоляционного материала с низкой теплопроводностью. Изотопный источник Sr90—J90 активностью до 1011 Бк (несколько кюри) вводится в специальное гнездо, изолированное от вакуумной камеры алюминиевой фольгой — мембраной. Толщина фольги, при которой можно пренебречь некоторым изменением высокоэнергетической части спектра изотопного источника за счет торможения электронов в алюминии, составляет 10”4 м.
Тепловой режим внутри вакуумных камер регулируется путем охлаждения жидким азотом внутренних стенок камер и нагревания двумя цилиндрическими нагревателями, расположенными над платой с изделиями. Температура исследуемых изделий контролируется с помощью термопар.
Распределение интенсивности электронов стронций-иттриевого источника на поверхности платы с изделиями определяется плоскими стеклянными дозиметрами. По степени радиационного потемнения стекла можно оценить распределение интенсивности облучения.
В качестве другого примера можно привести установку для моделирования ФКП, принятую в исследовательской лаборатории фирмы «Simens» (Германия), где были проведены испытания материалов и комплектующих аппаратуру изделий, электронных схем для проектируемых космических аппаратов AZUR (параметры орбиты: перигей 300 км, апогей 3 000 км, склонение 102°, продолжительность полета 1 год) и SYMPHONI (синхронная орбита, высота 35 600 км, продолжительность полета 5 лет). В качестве стандартных видов излучения были выбраны электроны с энергией 1—2,5 МэВ и протоны с энергией 3 МэВ. Испытания проводились на электростатическом генераторе Ван де Граафа. Сила тока пучка при облучении выбиралась в пределах ОД-100 мкА. Путем сканирования перекрывалась площадка 0,1 ■ 0,1 м2 (типовой размер устройства аппаратуры).
Рассмотрим также устройство одной из современных зарубежных установок Европейского космического агентства (ESA), предназначенной для моделирования воздействия ФКП [52]. Она состоит из двух соединенных между собой цилиндрических отсеков: вертикального (основной камеры) и горизонтального — для размещения системы откачки, а также из имитатора Солнца — дополнительной камеры. Установка изготовлена целиком из коррозионно-стойкой стали с небольшим содержанием углерода. Все отсеки имеют цилиндрические крышки. В цилиндрах и днищах много отверстий различных диаметров для присоединения вспомогательной системы откачки, ввода пучка солнечного излучения, питания тепловых экранов жидким и газообразным азотом, электровводов и др. Все внутренние поверхности отсеков целиком закрыты тепловыми экранами, состоящими из плоских или изогнутых волнистых криопанелей из коррозионно-стойкой стали. Каждая панель состоит из двух гофрированных листов, сваренных между собой по периметру и по поверхности гофр. По образованным таким образом каналам циркулирует жидкий азот, который обеспечивает изменение температуры стенок экрана в широком диапазоне. В точках крепления экранов обеспечивается тепловая изоляция от стенок камеры.
Одной из особенностей установки является подвижная часть с вертикальными поворотными створками, разделяющая экраны двух отсеков, что позволяет изолировать их друг от друга во время вакуумно-температурных испытаний, т. е. без действия имитатора Солнца. При этом экран дополнительной камеры используется как азотный криоконденсационный насос с температурой 80 К, которая достигается путем прокачки через него жидкого азота.
Температура экрана основной камеры в ходе этих испытаний может изменяться от 100 до 360 К. Точная ориентация створок позволяет преградить передачу излучения от испытуемого КА на холодные экраны дополнительного отсека при сохранении достаточной проводимости для вакуумной откачки.
Система вакуумной откачки является полностью безмасляной. Предварительная откачка осуществляется двумя параллельными фор — вакуумными линиями — воздуходувкой типа Рутса производительностью 1200 л — ч-1 с прогреваемыми цеолитовыми ловушками и отсекающими вентилями. При достижении давления порядка 10 Па начинается охлаждение жидким азотом экранов дополнительной камеры. После достижения давлений примерно 10-1 Па насосы предварительной от
качки отсекаются вентилями и отключаются. При достижении давления 5-10-1 Па включают криогенный насос, дающий охлаждение до 20 К, и турбомолекулярный насос. Насосы располагаются снаружи дополнительной камеры. При давлении 5 • 10”2 Па запускают титановые насосы основной откачки. Титан напыляется на панели суммарной площадью 20 м2. При этом получают суммарную скорость основной откачки ~ 2 • 103 л • с-1. Рабочее давление 5 • КГ4 Па достигается за 12 ч. Предельное давление в вакууме равно 10-5 Па.
Имитатор Солнца, входящий в состав установки, представляет собой сложную оптическую систему, предназначенную для воспроизведения в рабочей зоне моделирующей установки потока излучения, имеющего спектр, приближающийся к спектру естественного Солнца. Имитатор считается совершенным, если неоднородность поля лучистого потока во всем объеме рабочей зоны не превышает ±5%, расхождение лучей — не более ±2°.
В камеру можно вводить корпускулярные или электромагнитные излучения от изотопных источников, проводя испытания наиболее критичных к этим воздействиям элементов аппаратуры (стекол, покрытий, полупроводниковых приборов и т. п.). Кроме того, могут создаваться условия, имитирующие совместное воздействие радиации и собственной атмосферы на внешнюю поверхность КА, что необходимо для испытаний критичных к этим воздействиям покрытий, солнечных батарей, фотоприемников, пьезодатчиков и т. п.
Анализ результатов испытаний на комбинированное воздействие проводится путем их сопоставления с результатами натурных (летных) испытаний и испытаний на раздельное воздействие тех же факторов. Главная цель такого сопоставления состоит в выявлении тех факторов или их комбинаций, которые оказывают наибольшее влияние на работоспособность аппаратуры. Это позволяет не только решать перечисленные выше оценочные задачи, но и сокращать объемы натурных испытаний или использовать наиболее эффективные виды испытаний на раздельное воздействие вместо более дорогих испытаний на комбинированное воздействие.
1. Сформулируйте специфические параметры термокамер, с помощью которых производят оценку возможности воспроизведения в них различных испытательных режимов.
2. Какая термокамера (с прямым или косвенным нагревом) обеспечивает большую неравномерность распределения температуры в камере и почему?
3. В чем отличие методики испытаний на воздействие повышенной температуры внешней среды тепло — и нетепловыделяющих изделий?
4. На каких физических эффектах основано охлаждение в камерах холода?
5. Что понимается под холодопроизводительностью холодильной машины?
6. Каким требованиям должен удовлетворять хладагент холодильной машины?
7. Сформулируйте основные специфические параметры камеры влажности.
8. На какие типы подразделяют камеры влажности по способу получения влажного воздуха?
9. Сформулируйте основные параметры, характеризующие воздействие солнечной радиации.
10. Какие источники излучения используют в камерах солнечной радиации?
И. Назовите предельные значения атмосферных давлений, соответствующих низкой, средней, высокой и сверхвысокой степени вакуума.
12. Какими основными параметрами характеризуют вакуумные насосы?
13. Сформулируйте основные параметры, характеризующие камеру пыли.
14. В чем отличие методик испытаний на статическое и динамическое воздействие пыли?
15. Сформулируйте основные специфические параметры вакуумных испытательных установок.
16. Какие типы вакуумных насосов применяют в термовакуумных стендах и каковы их особенности?
17. Каким образом в земных условиях имитируют невесомость?
Глава 7