Специальные виды космических испытаний

Первоначально в качестве источников излучения применялись угольно-дуговые  лампы, достаточно хорошо имитировавшие  спектральное распределение энергии  Солнца во всем диапазоне длин волн, кроме ультрафиолетовой области {0,2–0,4 мкм), где недостаток мощности можно было компенсировать с помощью дополнительных источников. Однако этот вид ламп имел ряд существенных недостатков; в частности, из-за быстрого сгорания положительного электрода (для дуги мощностью 10 кВт скорость сгорания составляла 0,5 м/ч) его постоянно приходилось заменять новым, кроме того, механизм подачи электродов был сложен, нужно было защищать элементы оптической системы (зеркала, отражающие и преломляющие свет, линзы и пр.) от загрязнения продуктами сгорания.

Поэтому начали применяться лампы  с газовым наполнением (ксеноновые, ртутно-ксеноновые), сочетающие в себе яркость угольной дуги с удобством  эксплуатации. Вместе с тем и эти  лампы имели недостатки. Так, например, они имитировали солнечный спектр хуже, чем угольно-дуговые лампы. В процессе развития оба типа ламп совершенствовались: разрабатывался нерасходуемый отрицательный электрод в угольно-дуговой лампе, улучшалась имитация солнечного спектра за счет введения дополнительных газов в ксеноновые и ртутно-ксеноновые лампы и т.д.

Для создания необходимой интенсивности  теплового потока применяется большое  количество ламп, располагающихся так, чтобы на испытываемом объекте не появлялось тени или сильно нагреваемых мест за счет взаимного перекрытия лучей от отдельных светильников. Лучи света направляются в камеру с помощью специальных оптических систем, отличающихся большим разнообразием конструкции. Вот, например, как устроена оптическая система одной из моделирующих установок (рис. 3).

Поток лучей создается солнечным  имитатором, расположенным в 10-метровой надстройке над цилиндрической барокамерой  высотой порядка 14 м и диаметром 8 м. Источником лучистой энергии служат ртутно-ксеноновые лампы (9) мощностью по 2,5 кВт, расположенные вне камеры на щите 1. Таких ламп свыше 130, лучи от них собираются параболоидным зеркалом (2) и направляются на выпуклое зеркало 3. Последнее состоит из 19 шестигранников с диаметром описывающих их окружностей, равным 0,165 м. Этим зеркалом пучок лучей направляется через линзу (4} и попадает на рассеивающее зеркало (5), посылающее, в свою очередь, эти лучи на главное параболоидное зеркало (6), формирующее поток в рабочей зоне камеры (7).

Каждая лампа освещает свой участок в рабочей зоне и снабжена устройством для регулировки с главного пульта управления. Зеркало (5) имеет диаметр 0,765 м и состоит из 1150 охлаждаемых водой отдельных параболоидных зеркал, изготовленных из нержавеющей стали. Так как зеркало (5) создает в рабочей зоне теневой участок, имеется вспомогательная оптическая система, освещающая этот участок (на рис. 3 не показана).

Рисунок 3 - Оптическая система экспериментальной вакуумной установки.

Увеличение размеров космических  аппаратов закономерно вызывало необходимость в создании камер  большого объема. В начале 60-х годов  начинают появляться камеры объемом  свыше 50 м3 и даже свыше 500 м3. К концу 60-х годов в США, например, насчитывалось 14 камер объемом свыше 1000 м3 (камера, предназначавшаяся для испытания космического корабля "Аполлон", имела объем 11 233 м3).

Как методы имитации температуры  и внешних тепловых потоков, так  и методы создания космического вакуума в таких установках претерпели существенные изменения. Действительно, в более крупных установках требуются, например, более высокие скорости откачки газов, так как внутренние поверхности стенок камер в вакууме выделяют пары и газы, количество которых при прочих равных условиях прямо пропорционально размерам камер. Кроме того, в больших установках, как правило, бывает значительной длина уплотнений, через которые в барокамеру проникает воздух. Наконец, на количество выделяющихся паров и газов влияют вспомогательное оборудование и размеры испытываемых объектов, имеющих в большинстве случаев материалы с большим газоотделением (все органические материалы, резина и т. д.).

Однако поддержание  необходимого уровня вакуума в больших  камерах путем увеличения скорости откачки с помощью насосов становится технически сложным, и поэтому решение этой задачи пошло по другому пути — с помощью криогенной откачки. С этой целью в камере предусматривались участки (криогенные панели), охлаждаемые жидким водородом (точка кипения при нормальном давлении составляет 20 К) или газообразным гелием (11 К). Молекулы остаточного газа, попадая на эти панели, "замораживаются", что приводит к понижению давления в камере. Криогенные панели размещаются в пространстве между другим экраном, охлаждаемым жидким азотом.

Охлаждать гелием целиком все экраны камеры технически сложно и экономически невыгодно, так как в этом случае, в частности, первоначальная стоимость установки и эксплуатационные расходы становятся весьма большими. Использование криогенных панелей позволяет с минимальными затратами решить задачу о поддержании необходимого вакуума в камерах. В качестве основных используются чаще всего диффузионные насосы, хотя в ряде случаев применяются и другие их виды: ионно-сорбционные, титановые сублимационные, турбомолекулярные и др.

Так как стоимость  космических аппаратов весьма высокая, тепловые испытания иногда проводят на специальных тепловых макетах, на которых вместо аппаратуры применяются  имитаторы. На таком макете в разных его местах размещаются температурные  датчики, чтобы по их показаниям можно было составить полное представление о тепловом режиме космического аппарата. Тепловой макет устанавливают в барокамере, производят откачку из нее газов, охлаждают ее экраны. Затем включают солнечные имитаторы и начинают испытания.

С помощью специального устройства макет вращается, имитируя изменение положения аппарата относительно Солнца в ходе его космического полета. Имитаторы аппаратуры работают по заданным программам, воспроизводя тепловыделение приборов в разных режимах "полета". Показания датчиков автоматически записываются на специальных приборах. Если в ходе испытаний обнаружится, что система терморегулировании работает неудовлетворительно, в ее конструкцию вносятся соответствующие изменения, и в случае необходимости вновь проводятся испытания для определения эффективности этих изменений.

В наземных условиях проводится и имитация теплового режима космических  аппаратов на участках полета в атмосфере  планет. При этом в термобарокамерах воспроизводятся два основных параметра: давление ("высота") окружающей среды и температура поверхности космического аппарата. Нагрев поверхности испытуемых объектов производится специальными нагревателями, например инфракрасными вольфрамокварцевыми радиационными нагревателями. Такие нагреватели состоят из трубок, изготовленных из кварцевого порошка, с навитой на них вольфрамовой нитью накала. Они монтируются в керамические рефлекторы, отражающие тепловые потоки. Существующие нагреватели имеют температуру нити 3000° С. В качестве нагревателей используются также и кварцевые лампы, графитовые оболочки и другие устройства.

     Методика  испытаний предусматривает следующую  последовательность операций. Подготовленное  к испытаниям изделие тщательно  очищают от всевозможных загрязнений,  которые могут ухудшить вакуум. Затем его устанавливают на имитаторе орбиты. К РЭС подключают контрольно-измерительную аппаратуру и проверяют в нормальных условиях работу бортовых систем, контрольно- измерительной аппаратуры  и программно-временного устройства, задающего режим в испытательной камере. Запускают систему вакуумирования, а после достижения давления примерно 0,01 Па включают криогенную систему охлаждения экранов. По команде программно- временного устройства, когда в камере установится требуемый режим испытаний, включают имитаторы внешних лучистых потоков, имитаторы орбиты и бортовые РЭС.

Продолжительность эксперимента определяется условиями полета и  цикличностью работы РЭС. Параметры  испытательного режима (давление, температура  и т.д.)  передаются на пульт управления с помощью бортовой телеметрической аппаратуры.

3 Корпускулярные и метеоритные потоки, эрозия

При работе ЭС в условиях космоса помимо радиационных повреждений  ЭС, связанных с нарушением работы их элементов, наблюдаются также  повреждения покрытий ЭС при воздействии потока различных корпускулярных частиц. Для исследования качества покрытий проводят испытания ЭС как при раздельном воздействии потока частиц с различными факторами космического пространства, так и при совместном их воздействии. Моделирование воздействия потоков корпускулярных частиц осуществляют на различных установках. Эти установки можно условно разбить на пять групп, каждая из которых предназначена для имитации воздействия определенного вида корпускулярных частиц, вызывающих повреждения покрытий.

Установки первой группы обеспечивают моделирование воздействия  на покрытия ЭС ионов верхней атмосферы  Земли и других планет. В этом случае поверхность ЭС подвергается воздействию плазменной струи, представляющей пучок ионов с кинетической энергией около 20 эВ, создаваемый плазмотроном или специальной плазменной аэродинамической установкой. На рис. 4 показана схема плазменной аэродинамической установки, в которой можно проводить исследование покрытий ЭС при повышении плотности плазменной струи.

Установки второй группы обеспечивают моделирование корпускулярного  излучения Солнца низкой энергии («солнечный ветер» и нестационарные потоки солнечной  плазмы), протонов и электронов, входящих в состав электроносферы и протоносферы Земли. Для получения потоков электронов, протонов и ионов гелия наиболее удобно использовать электронные и ионно-лучевые приборы: электронные и ионные пушки, масс-сепараторы, масс-спектрометры, электронографы. Установки третьей группы предназначены для имитации потоков протонов и электронов радиационных поясов Земли. Обычно это электростатические ускорители, циклотроны, высоковольтные ускорители.

Имитационные установки  четвертой группы должны обеспечивать ускорение микрочастиц размером около 1 мкм до скоростей 10...20 км/с  и выше для установление влияния микрометеорной эрозии на изменение оптических характеристик покрытий. Один из методов получения микрочастиц с космическими скоростями — ускорение их с помощью электрических полей. При этом наиболее часто применяют электростатические ускорители.

Для ускорения микрочастицы ей необходимо сообщить электрический  заряд.    Электризацию микрочастицы осуществляют,  как правило, контактным методом в специальном инжекторе. Сущность метода состоит в том, что металлические частицы массой m и размером около 1 мкм, подлетая к заряжающему электроду и касаясь его, приобретают заряд Q пропорциональный напряженности электрического поля на острие заряжающего электрода. Заряженная частица отталкивается от электрода и инжектируется в ускорительную  трубку.  Основное  требование  к  инжектору — обеспечение  максимального отношения Q/m. Практически   удается  получить  Q/m = 100...400 Кл/кг.

Для достижения скоростей  макрочастиц около 25 км/с используют линейные ускорители с большим числом ускоряющих электронов. Ускорение сверхпроводящих частиц бегущей магнитной волной позволяет получать широкий диапазон космических скоростей.

При микрометеорном ударе  сравнительно малое количество мишени (около 1 %) и практически  весь  микрометеорит   переходит в газовую фазу при высоких температурах (3*10³...10⁶ К). Поэтому достаточно промоделировать стадию микрометеорного удара (при скоростях соударений, превышающих 5 км/с),   когда существует жидкая фаза.    Часть образующейся жидкости выбрасывается из кратера в виде мелких капель, а часть остается на его стенках в виде тонкой пленки Критерием правильного моделирования воздействия микрометеорного удара является воспроизведение истинного размера, температуры и условий охлаждения капель, продолжительности их существования в кратере в жидком состоянии. Время формирования пленки на стенках кратера должно быть значительно меньше времени ее остывания. Это можно обеспечить воздействием луча лазера с модулированной добротностью, т. е. создающего мощные импульсы излучения.

Установки пятой группы служат для моделирования исследования комплексного воздействия различных видов корпускулярных потоков, микрометеорных частиц и электромагнитного излучения Солнца на стойкость покрытий. В состав таких имитационных установок входят термовакуумные камеры, ускорители электронов и протонов имитаторы Солнца, ускорители микрометеорных частиц и т. д. Наличие нескольких типов ускорителей обеспечивает моделирование радиационной обстановки, сходной с космической.

:

1 — источник плазмы; 2 — вакуумная камера; 3 — диффузионные насосы; 4— эмиссионный зонд; 5—испытываемый объект; 6 — термозонд; 7 — анализатор расходимости пучка; 8 — ограничивающая сетка; 9 — подавляющая сетка; 10— кольцевой коллектор;       11 — электростатический масс-спектрометр; 12— сеточный анализатор; 13 — пучок плазмы; 14 - гетероионные насосы.

 Рисунок 4 - Схема   плазменной   аэродинамической  установки

К устройствам для  моделирования космического корпускулярного  излучения предъявляют следующие  специфические требования: одновременное облучение исследуемых материалов электронами и положительными ионами (протонами, ионами гелия и др.); равномерная плотность электронных и протонных потоков; облучение ими в вакууме поверхности материалов площадью в сотни квадратных сантиметров; возможность изменения энергии протонов и электронов в широком диапазоне; возможность преобразования моноэнергетических пучков заряженных частиц в пучки со сплошным энергетическим спектром, близким к космическому.

В последние время, для большей эффективности создания пучка, где это возможно начали применять жидкие рабочие вещества (рис 5). Впервые эта методика была опробована на ионах кислорода.

Рисунок 5 - Различные конструкции инжекторов ионов.

Необходимо отметить, что испытания на механическую прочность при воздействии с космическими телами проводят при использовании современного программного обеспечения и мощных вычислительных комплексов, моделируя столкновение с телами различной конфигурации, а так же имеющих различные кинетические характеристики. В то же время, следует понимать то, что, практически любой крупный объект на околоземной орбите или вне ее вызывает выход из строя практически любого современного КА при столкновении с ним.

4 Испытания на воздействие криогенных температур

Испытание ЭС на воздействие криогенных (ниже 120 К) температур проводят с целью проверки устойчивости параметров изделий при низких температурах. Криогенные (охлаждающие) системы, предназначенные