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