/
Author: Новиков Л.С. Милеев В.Н. Соловьев Г.Г. Черник В.Н.
Tags: метеорология климатология ядерная, атомная и молекулярная физика междупланетные соединения (междупланетные полеты) космонавтика (аэронавтика) астрономия космические аппараты космос космонавтика освоение космоса
ISBN: 978-5-98227-420-5
Year: 2007
Text
1755-2005
060ЛЕТ
НИИЯФ
МГУ
Издание посвящается
50-летней годовщине
запуска первого z
искусственного
СПУТНИКА ЗЕМЛИ
ОТ РЕДАКТОРОВ ИЗДАНИЯ
50 лет назад ученые Московского государственного уни-
верситета имени М.В. Ломоносова приступили к исследованию
космического пространства с помощью искусственных спут-
ников Земли. Созданная в НИИ ядерной физики МГУ име-
ни Д.В. Скобельцына научная аппаратура второго советского
ИСЗ, который был запущен в ноябре 1957 г., позволила впер-
вые зарегистрировать частицы радиационного пояса Земли.
Дальнейшие интенсивные исследования космоса дали
огромное количество результатов, столь необходимых для
развития космических наук и технологий. Для их обобщения
по инициативе директора НИИЯФ МГУ академика С.Н. Вер-
нова в 1964 г. было осуществлено первое издание научно-
технического сборника «Модель космоса», подготовленного
сотрудниками НИИЯФ МГУ и их коллегами из научных
организаций и предприятий космической промышленности.
Всего «Модель космоса» издавалась семь раз, последнее из-
дание вышло в 1983 г.
Перед читателем - 8-е издание «Модели космоса», состо-
ящее из двух томов. В первом томе традиционно описывают-
ся физические условия в космическом пространстве. Второй
том посвящен рассмотрению влияния факторов космического
пространства на материалы и оборудование космических
аппаратов, а также ставших весьма актуальными вопросов,
связанных с воздействием ракетно-космической техники на
окружающую среду. В отличие от предыдущих изданий, мы
отказались от третьего тома - сборника расчетных моделей
окружающей среды, поскольку в настоящее время такие моде-
ли распространяются исключительно в компьютерных интер-
активных версиях. Их краткие описания и сравнительные
характеристики представлены в первом томе.
Как и прежние издания, настоящее в первую очередь рас-
считано на работников космической промышленности, а так-
же студентов и аспирантов, специализирующихся в области
космических исследований. Надеемся, что книга окажется
полезной и для научно-технических работников смежных
областей.
М.И. Панасюк
Л. С. Новиков
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА
МОДЕЛЬ КОСМОСА
ВОСЬМОЕ ИЗДАНИЕ
Том II
ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
НА МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Под редакцией
профессора Л.С. Новикова
/УЦИИРПНЕТ М ,
{ книжный дом
^МОСКВА
\ 2007
0Ьрствце космической 7£xi4nци~
Й2к ои.оло5^мчую_ сред.у , _____
ББК 39.66
УДК 551.5:539.104
М74
Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда
фундаментальных исследований по проекту № 07-02-07021
и гранта «Формирование системы инновационного образования
в МГУ имени М.В. Ломоносова» Национального проекта «Образование»
МОДЕЛЬ КОСМОСА
Под редакцией
проф. М.И. Панасюка и проф. Л.С. Новикова
Редакционная коллегия 1-го тома
М.И. Панасюк, Е.Е. Антонова, Л.Л. Лазутин, С.А. Красоткин
Редакционная коллегия П-го тома
Л.С. Новиков, В.Н. Милеев, Г.Г. Соловьев, В.Н. Черник
Технический редактор - Е.Н. Воронина
М74 Модель космоса : Научно-информационное издание : В 2 т. / Под ред. М.И. Пана-
сюка, Л.С. Новикова. - Т. 2 : Воздействие космической среды на материалы и оборудо-
вание космических аппаратов. - М. : КДУ, 2007. - 1144 с. : табл., ил.
ISBN 978-5-98227-418-2
ISBN 978-5-98227-420-5 (Т. 2)
В первом томе двухтомника дано описание физических условий в космическом пространстве.
Второй том посвящен рассмотрению воздействия факторов космического пространства на ма-
териалы и оборудование космических аппаратов, методов испытаний материалов и элементов
оборудования в лабораторных и натурных условиях, техногенных воздействий на околоземную
среду. Приведены сведения о стандартах и информационных системах, используемых при анализе
взаимодействия космических аппаратов с окружающей космической средой.
Книга рассчитана на работников космической промышленности, студентов и аспирантов, спе-
циализирующихся в области исследования космического пространства.
ББК 39.66
УДК 551.5:539.104
© Научно-исследовательский институт
ядерной физики имени Д.В. Скобельцына
МГУ имени М.В. Ломоносова, 2007
© Издательство «КДУ», 2007
СОДЕРЖАНИЕ
ТОМ I
ФИЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
1. ГАЛАКТИЧЕСКИЕ И ВНЕГАЛАКТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ КОСМИЧЕСКИХ
ИЗЛУЧЕНИЙ
1.1. Вселенная и Метагалактика 11
1.2. Галактические космические лучи 62
1.3. Аномальная компонента космических лучей 96
1.4. Космическое рентгеновское и гамма-излучение 111
1.5. Нейтринная астрофизика 176
1.6. Модель галактических космических лучей 208
2. СОЛНЦЕ И ГЕЛИОСФЕРА
2.1. Солнце и солнечная корона 219
2.2. Солнечная активность 252
2.3. Солнечные вспышки 272
2.4. Солнечные космические лучи 294
2.5. Солнечный ветер и гелиосферное магнитное поле 314
2.6. Граница гелиосферы 360
2.7. Модель солнечных космических лучей 402
3. ФИЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
3.1. Магнитосфера Земли 417
3.2. Внешние плазменные оболочки магнитосферы 456
3.3. Кольцевой ток 482
3.4. Радиационные пояса 518
3.5. Авроральная магнитосфера 547
3.6. Проникновение космических лучей в магнитосферу 579
3.7. Излучение на малых высотах 592
3.8. Геомагнитные пульсации 611
3.9. Радиационные условия на орбитах космических аппаратов 627
3.10. Радиационная дозиметрия в космическом полете 642
4. ФИЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ВБЛИЗИ ПЛАНЕТ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
4.1. Атмосфера Земли 668
4.2. Транзиентные электромагнитные явления в атмосфере Земли 727
4.3. Ионосфера Земли 744
4.4. Радиационные условия в нижней части атмосферы Земли (до высот 50-60 км) 781
4.5. Физические условия вблизи Луны и планет Солнечной системы 794
6
СОДЕРЖАНИЕ
ТОМ II
ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
НА МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Введение. Современное состояние и перспективы исследований взаимодействия
космических аппаратов с окружающей средой 10
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
1.1. Моделирование процессов формирования собственной внешней
атмосферы и загрязнения поверхности космических аппаратов 39
1.2. Численное моделирование процессов массопереноса в окрестности
космических аппаратов 60
1.3. Лабораторные и натурные эксперименты по изучению газодинамических
процессов в окрестности космических аппаратов и на их поверхности 91
1.4. Расчетно-экспериментальное определение проводимости каналов
в свободномолекулярном потоке 117
1.5. Газовыделение материалов космических аппаратов 139
1.6. Воздействие атомарного кислорода на материалы и элементы конструкции
низкоорбитальных космических аппаратов 171
1.7. Воздействие ионизирующей радиации и оптических излучений
на полимерные материалы 207
1.8. Электризация космических аппаратов в магнитосферной плазме 236
1.9. Математическое моделирование электризации космических аппаратов 276
1.10. Объемная электризация диэлектрических материалов космических аппаратов 315
1.11. Исследование радиационно-электрических процессов в диэлектриках
при облучении электронами с энергиями до 100 кэВ 343
1.12. Радиационная электропроводность полимеров 361
1.13. Исследование радиационной проводимости диэлектриков 377
1.14. Изменение свойств материалов под действием солнечного электромагнитного
излучения 395
1.15. Радиационная стойкость полимеров в условиях космического пространства 414
1.16. Воздействие космических излучений на оптические материалы 437
1.17. Компьютерное моделирование распределения поглощенной дозы
и внедренного заряда в элементах конструкции космических аппаратов 450
1.18. Поверхностные радиационные эффекты в интегральных схемах 466
1.19. Радиационные эффекты в интегральных схемах от отдельных ядерных частиц 494
1.20. Повреждение космических аппаратов ударами твердых частиц естественного
и искусственного происхождения 519
2. ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
2.1. Функционирование солнечных батарей в космической среде 561
2.2. Изменение свойств терморегулирующих покрытий под действием факторов
космического пространства 595
2.3. Проблемы применения электроракетных двигателей на космических аппаратах 615
2.4. Использование ядерных энергетических установок в космической технике 660
2.5. Разрушения космических аппаратов в столкновениях с космическими объектами 682
СОДЕРЖАНИЕ
7
2.6. Лабораторные исследования радиофизических характеристик и эффектов
электродинамического воздействия электроракетных двигателей 701
2.7. Задачи совершенствования антистатической защиты космических аппаратов 736
2.8. Методология обеспечения стойкости космических аппаратов к воздействию
ионизирующих излучений 753
2.9. Моделирование электризации космических аппаратов в лабораторных условиях 767
2.10. Повышение радиационно-защитных параметров стеклянных покрытий
за счет внедренного электрического заряда 781
2.11. Моделирование на ускорителях потока электронов радиационных поясов
Земли 800
2.12. Методы испытаний на стойкость к воздействию радиационных факторов
космического пространства и импульсную электрическую прочность 815 (/
3. ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
3.1. Влияние ракетно-космической техники на озоносферу, ионосферу и нейтральный
состав верхней атмосферы 834
3.2. Активные воздействия на околоземную среду 855
3.3. Активные эксперименты и антропогенные эффекты в околоземной среде:
методология, аппаратура, результаты » 891
3.4. Динамика искусственных плазменных образований в окрестности космических
аппаратов 918
3.5. Космический мусор - новая техногенная среда в околоземном космическом
пространстве 946
3.6. Проблема ограничения техногенного засорения околоземного космического
пространства 983
3.7. Возможные последствия столкновений фрагментов космического мусора
и космических аппаратов с ядерными источниками энергии на борту 993
4. НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
4.1. Научно-технические эксперименты на орбитальных космических станциях 1004
4.2. Исследование материалов и покрытий внешних поверхностей космических
аппаратов в условиях космического пространства 1018
4.3. Изучение свойств материалов в эксперименте «Компласт» на орбитальном
комплексе «Мир» и Международной космической станции 1039
4.4. Натурные исследования стойкости полимерных композиционных материалов
к воздействию факторов космического пространства 1056
4.5. Изменения диэлектрических свойств полимеров и композиционных
материалов при длительной экспозиции в космических условиях 1068
5. СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
5.1. Стандартизация космической среды: отечественные и международные аспекты
проблемы 1082
5.2. Стандартизация методов испытаний материалов на стойкость к воздействию
космической среды 1095
5.3. Справочная система информационного обеспечения по стойкости
неметаллических материалов к воздействию факторов космического
пространства 1109
5.4. Разработка информационно-технологической системы «Космотест»
по радиационному и космическому материаловедению 1117
ПРЕДИСЛОВИЕ
ко второму тому восьмого издания «Модели космоса»
За два десятилетия, прошедшие после предыдущего издания «Модели космоса»,
получено огромное количество новых экспериментальных и теоретических данных о
процессах воздействия факторов космического пространства на материалы и обору-
дование космических аппаратов (КА). В этот период наряду с традиционно разви-
ваемыми наземными лабораторными исследованиями были проведены многочислен-
ные научно-технические эксперименты в космосе: на российских орбитальных
станциях «Салют-7», «Мир», на американских космических кораблях «Space Shuttle»,
в последние годы - на Международной космической станции, а также на специали-
зированных КА LDEF, CRRES, EURECA и других.
Существенно изменились подходы к конструированию КА и предъявляемые к
ним требования в отношении надежности и сроков активного существования. Отчет-
ливо наметились тенденции к созданию негерметизированных конструкций, разра-
ботке малых КА разных классов, широкому использованию унифицированных кос-
мических платформ, применению электроракетных двигателей не только в системах
ориентации КА и коррекции орбиты, но и в качестве маршевых двигателей при меж-
орбитальных и даже межпланетных полетах. Для современных и перспективных КА
разрабатываются новые виды оборудования, непрерывно обновляется элементная
база бортовой аппаратуры, создаются и внедряются новые конструкционные и функ-
циональные материалы.
За последние 15-20 лет в связи с широкомасштабной космической деятельностью
значительно обострилась проблема техногенных воздействий на околоземную кос-
мическую среду, в числе которых следует особо отметить засорение околоземного
космического пространства искусственными объектами.
Происходящие изменения ставят перед специалистами, занимающимися разра-
боткой и эксплуатацией космической техники, новые задачи, для решения которых
требуется уточнение, а зачастую и пересмотр многих ранее сложившихся представ-
лений о процессах взаимодействия КА с окружающей средой.
Совершенствуются и методы исследований. Стремительный прогресс вычисли-
тельной техники и телекоммуникационных технологий обеспечил возможность по-
всеместного использования высокопроизводительных персональных компьютеров и
проведения расчетов на суперкомпьютерах, позволил значительно продвинуться в
развитии методов математического моделирования процессов взаимодействия КА с
окружающей средой. Благодаря этому, в настоящее время математическое моделиро-
ПРЕДИСЛОВИЕ
9
вание стало наиболее эффективным методом изучения обсуждаемых процессов при-
менительно к реальным КА с учетом особенностей их конструкции, физических
свойств используемых материалов, работы бортового оборудования и условий экс-
плуатации.
При подготовке настоящего издания авторы стремились отразить новейшие дос-
тижения отечественных и зарубежных исследований по различным аспектам про-
блемы взаимодействия КА с окружающей космической средой. К созданию второго
тома «Модели космоса» были привлечены специалисты предприятий российской
космической отрасли, институтов РАН и высшей школы, а также представители ряда
научных коллективов Украины.
Для нового издания «Модели космоса» второй том написан практически заново. С
учетом ограниченности объема тома и обилия новых материалов, требующих отра-
жения на его страницах, в настоящем издании сведены к минимуму общефизические
сведения, которые можно найти в учебниках и специальных монографиях, а также в
предшествующих изданиях «Модели космоса» (прохождение заряженных частиц
через вещество, образование радиационных дефектов в твердом теле, вторично-
эмиссионные процессы и т. п.). Претерпела изменения и структура тома - он состоит
из вводной главы, освещающей современное состояние и перспективы исследований
по проблеме взаимодействия КА с окружающей космической средой, и пяти темати-
ческих разделов, каждый из которых включает несколько глав.
Раздел 1 посвящен анализу физических процессов, протекающих при взаимо-
действии КА с различными составляющими окружающей космической среды. В
разделе 2 рассматриваются проблемы разработки и эксплуатации космических сис-
тем. Раздел 3 содержит сведения о различных техногенных воздействиях на около-
земную космическую среду и активных космических экспериментах. В разделе 4
дано описание наиболее важных натурных научно-технических экспериментов, вы-
полненных на отечественных орбитальных станциях. Раздел 5 посвящен рассмот-
рению стандартов, нормативных документов и информационных систем по харак-
теристикам космической среды, условиям проведения лабораторных испытаний
материалов и элементов оборудования КА и их стойкости к воздействию факторов
космического пространства.
Поскольку по ряду вопросов, обсуждаемых в данном томе, до настоящего време-
ни нет общепринятых представлений, редакционная коллегия сочла полезным в не-
которых случаях поместить материалы, отражающие точки зрения разных научных
школ и взаимно дополняющие друг друга.
Авторские коллективы каждой главы включают лишь сотрудников, принимавших
непосредственное участие в написании соответствующих глав и подготовке материа-
лов к печати. Представленные материалы обобщают результаты исследований и
методических разработок, выполненных большими коллективами. Всем участни-
кам этих работ авторы и члены редакционной коллегии выражают глубокую при-
знательность.
Редактор второго тома
Л. С. Новиков
ВВЕДЕНИЕ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
Новиков Л.С.
НИИ ядерной физики МГУ
Список сокращений
гкл галактические космические лучи СКЛ солнечные космические лучи
ГСО геостационарная орбита ТРП терморегулирующее покрытие
КА космический аппарат УФ ультрафиолетовое (излучение)
ОКП околоземное космическое пространство ФКП факторы космического пространства
РПЗ радиационные пояса Земли ЭРД электроракетный двигатель
СВА собственная внешняя атмосфера ЭСР электростатический разряд
Цель настоящей главы - дать читателю достаточно полное представление о про-
блеме взаимодействия космических аппаратов (КА) с окружающей космической сре-
дой для облегчения восприятия информации, содержащейся в последующих главах,
где детально рассматриваются различные аспекты указанной проблемы. В этой главе
приведены сведения о структуре и характеристиках околоземного космического про-
странства (ОКП), кратко рассмотрены явления, возникающие при взаимодействии
КА с окружающей средой, описаны методы, применяемые при проведении исследо-
ваний в данной области, сформулированы наиболее важные задачи современных и
будущих исследований, а также пояснены некоторые термины и определения, ис-
пользуемые в дальнейшем изложении.
ВВЕДЕНИЕ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...
11
1. Общая характеристика проблемы
Важнейшую роль в обеспечении длительной безотказной работы КА играет стой-
кость их конструкционных материалов и элементов бортового оборудования к воз-
действию окружающей космической среды. По оценкам отечественных и зарубеж-
ных экспертов, более половины отказов и сбоев в работе бортовой аппаратуры КА
обусловлено неблагоприятным воздействием факторов космического пространства
(ФКП).
На КА в полете воздействует обширный комплекс ФКП: потоки электронов и
ионов высокой энергии, холодная и горячая космическая плазма, солнечное элект-
ромагнитное излучение, метеорная материя, твердые частицы искусственного про-
исхождения и другие факторы. В результате такого воздействия в материалах и
элементах бортового оборудования КА протекают разнообразные физико-химиче-
ские процессы, приводящие к ухудшению их эксплуатационных параметров. В за-
висимости от характера процессов, инициируемых воздействием космической сре-
ды, происходящие изменения свойств материалов и элементов оборудования могут
иметь разный временной масштаб, быть обратимыми или необратимыми, представ-
лять различную опасность для бортовых систем.
Некоторые из воздействующих факторов, например, космическая плазма и сол-
нечное ультрафиолетовое (УФ) излучение, оказывают влияние лишь на приповерх-
ностные слои материалов. Другие, такие как заряженные частицы высокой энергии
вместе с создаваемыми ими в элементах конструкции КА вторичными частицами и
квантами, способны проникать глубоко в толщу материалов, а также во внутренние
отсеки КА. При этом воздействие ФКП может приводить как к постепенному ухуд-
шению свойств материалов и характеристик бортовых систем и, как следствие, - к
отказам в работе КА по истечении некоторого периода эксплуатации, так и к возник-
новению внезапных отказов в работе бортовой аппаратуры, непосредственно сопро-
вождающих воздействие. В качестве типичного примера, иллюстрирующего первый
случай, можно указать постепенное снижение эффективности солнечных батарей КА
в результате накопления поглощенной дозы космической радиации, а для иллюстра-
ции второго случая - сбои в микросхемах с высокой степенью интеграции под дейст-
вием одиночных протонов или тяжелых ионов высокой энергии.
Многообразие факторов, воздействующих на КА, сложные энергетические спек-
тры космических корпускулярных и электромагнитных излучений, возможность воз-
действия ФКП в различных сочетаниях и в разной временной последовательности -
все это значительно затрудняет изучение и прогнозирование изменений свойств ма-
териалов и характеристик бортовых систем КА в условиях космической среды.
Интенсивные работы в этой области, стимулированные практическими запроса-
ми космической отрасли, привели фактически к созданию нового научного направ-
ления - космического материаловедения, в задачи которого входят эксперимен-
тальные и теоретические исследования процессов, протекающих в материалах и
элементах оборудования КА под действием ФКП, изучение вызываемых воздей-
ствием ФКП изменений свойств материалов и характеристик бортовых систем, соз-
дание новых материалов, разработка методов и технических средств защиты КА от
12
ВВЕДЕНИЕ
неблагоприятного воздействия ФКП [1]. Самостоятельным крупным разделом кос-
мического материаловедения является изучение влияния невесомости на протека-
ние физико-химических процессов в материалах в разных агрегатных состояниях и
создание технологий получения материалов в условиях невесомости.
Начало исследований воздействия ФКП на материалы и оборудование КА отно-
сится к периоду создания и подготовки к запуску первых искусственных спутников
Земли. На этом этапе инженерам и конструкторам при решении вопросов, связанных
с обеспечением работоспособности бортовых систем КА в условиях космической
среды, приходилось руководствоваться весьма ограниченными сведениями о ее свой-
ствах. Новая информация, получаемая с помощью научной бортовой аппаратуры КА,
позволяла существенно продвинуться в решении указанных вопросов. Особенно ак-
туальными рассматриваемые исследования стали после открытия радиационных поя-
сов Земли (РПЗ) [2]. Необходимость значительного увеличения радиационной стой-
кости материалов и оборудования КА, в частности терморегулирующих покрытий
(ТРИ) и солнечных батарей, явилась мощным толчком к началу широкомасштабных
исследований различных проявлений воздействия ФКП на КА.
Таким образом, исследования космического пространства и работы по изучению
воздействия космической среды на КА и обеспечению их длительной безотказной
работы развивались параллельно и взаимно дополняли друг друга. При этом были
созданы в значительной степени общие для обоих направлений методы проведения
лабораторных и натурных (на борту КА) экспериментов с обеспечением их необхо-
димыми приборами и испытательными стендами, расчетно-теоретические методы и
модели, методы обработки информации и т. д.
Несмотря на достигнутые к настоящему времени значительные успехи в обеспе-
чении стойкости материалов и оборудования КА к воздействию ФКП, исследования
в этой области остаются актуальными, поскольку, как отмечено выше, весьма значи-
тельная часть аномалий в работе КА является следствием такого воздействия.
Имеется также ряд объективных причин, вызывающих необходимость непре-
рывного обновления и расширения наших знаний о процессах воздействия ФКП на
материалы и оборудование КА, а также необходимость регулярного пересмотра
используемых и создания новых методов защиты КА от воздействия ФКП.
В числе наиболее важных из этих причин следует указать:
• требования увеличения сроков активного существования КА и надежности
бортовых систем;
• появление новых тенденций в конструировании КА (создание негерметизи-
рованных конструкций, малых КА, унифицированных космических платформ
и т. д.);
• использование при создании КА новых конструкционных и функциональных
материалов;
• оснащение КА новым оборудованием, усложнение аппаратурных комплексов,
применение в их составе новой элементной базы;
• повышение чувствительности исследовательской бортовой аппаратуры;
• освоение новых орбит и методов выведения КА;
• создание комплексных спутниковых систем и решение с их помощью новых
целевых задач.
ВВЕДЕНИЕ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...
13
Необходимость пересмотра многих ранее полученных результатов и установлен-
ных нормативных требований и стандартов, используемых при конструировании и
эксплуатации КА, определяется также интенсивно развивающимся в последние годы
международным сотрудничеством. Важную роль здесь играет начавшаяся более
10 лет назад работа российских специалистов в ISO - Международной организации
по стандартизации (см. гл. 5.1 и 5.2).
В соответствии с главной задачей данного тома, вынесенной в его название, ос-
новная часть помещенных в нем материалов посвящена анализу воздействия ФКП на
КА. Вместе с тем уже к середине 1970-х гг. стало ясно, что изделия ракетно-кос-
мической техники через посредство различных физико-химических процессов оказы-
вают заметное воздействие на околоземную среду. С целью изучения механизмов и
возможных вредных последствий такого воздействия в 1976 г. по решению Комитета
по космическим исследованиям при Международном совете научных союзов
(COSPAR) была создана специальная комиссия. На конференции COSPAR в 1979 г.
этой комиссией были сообщены основные направления проводимых исследований, а
в 1982 г. опубликованы некоторые предварительные их результаты. За прошедшие
годы проблема техногенных воздействий на околоземную космическую среду значи-
тельно обострилась. Сейчас исследованиям в этом направлении уделяется серьезное
внимание, разрабатываются и реализуются различные меры по ограничению техно-
генной нагрузки на ОКП (см. гл. 3.1-3.7). Для обозначения этой области исследова-
ний часто используется термин экология ОКП, который уже достаточно прочно ут-
вердился в научно-технической литературе [3-5]. Этот термин следует отличать от
понятия космическая экология, под которым подразумевается применение космиче-
ских средств для исследования и контроля экологической обстановки в биосфере.
Наиболее опасным глобальным проявлением влияния ракетно-космической тех-
ники на состояние ОКП является накопление на околоземных орбитах не выполня-
ющих полезных функций тел искусственного происхождения - космического мусора
(в англоязычной литературе - space debris), к которому относят прекратившие работу
КА, остающиеся на орбитах последние ступени ракет-носителей, монтажные элемен-
ты, сбрасываемые защитные крышки и т. п., а также фрагменты разрушившихся из-
делий и образующиеся при разрушении и эксплуатации КА мелкие частицы. Общая
масса космического мусора оценивается приблизительно в 3 000 тонн [6, 7].
Помимо этого, при запусках КА и работе их оборудования в окружающую среду
выбрасываются в большом количестве газообразные продукты сгорания ракетного
топлива и другие химические вещества, состав которых часто не характерен для нее.
Подобные выбросы вызывают локальные возмущения околоземной космической
среды, но их масштабы могут быть весьма значительными. Например, площадь так
называемых ионосферных дыр - областей с пониженной электронной концентрацией,
возникающих после прохождения через ионосферу мощных ракет, может составлять
~106 км2, а время их существования - несколько часов.
В непосредственной же близости от КА наблюдаются самые разнообразные воз-
мущения окружающей космической среды: газодинамические эффекты, сопровож-
дающие полет КА в области низких орбит, изменение состояния окружающей плаз-
мы электрическим полем КА при образовании на нем заряда, формирование вокруг
КА газовой оболочки, которую принято называть собственной внешней атмосферой
14
ВВЕДЕНИЕ
(СВА) аппарата, и т. д. Учет этих возмущений очень важен при измерениях парамет-
ров космической среды с помощью приборов, устанавливаемых на КА.
Таким образом, в общем случае правильнее говорить о взаимодействии КА с ок-
ружающей космической средой (spacecraft-environment interaction). Этот термин бо-
лее точно отражает и физическую сущность процессов, протекающих на аппарате и в
его окрестности [8, 9].
2. Условия функционирования космических аппаратов в околоземном
пространстве
Подробное описание различных областей космического пространства дано в пер-
вом томе «Модели космоса». Здесь в соответствии с тематической направленностью
второго тома кратко рассматриваются условия функционирования КА в ОКП, где
эксплуатируется большая часть КА, предназначенных для решения разнообразных
прикладных и научных задач. При этом основное внимание уделено анализу наибо-
лее важных с точки зрения воздействия на КА характеристик различных составля-
ющих космической среды. Вопросы же формирования тех или иных областей ОКП,
переноса плазмы и излучений в космической среде и т. п., детально рассмотренные в
первом томе, затрагиваются в значительно меньшей степени.
Строго говоря, околоземным пространством называется пространство, ограни-
ченное сферой, радиус которой равен среднему расстоянию от Земли до Луны
(380 тыс. км) [10]. Но часто с этим понятием отождествляют пространство внутри
магнитосферы Земли - области локализации геомагнитного поля, поскольку физи-
ческие условия в магнитосфере значительно отличаются от условий за ее пределами.
Поперечные размеры магнитосферы в меридиональной плоскости составляют
200-250 тыс. км, а в направлении на Солнце - около 60 тыс. км.
Вакуумные условия в ОКП
Характеризуя космическую среду, прежде всего следует указать на ее крайнюю
разреженность. Воздействие всех внешних факторов на КА происходит в вакууме.
Кроме того, вакуум космического пространства сам является фактором, оказываю-
щим существенное влияние на материалы и оборудование КА.
В окрестности Земли вакуумные условия определяются параметрами верхней ат-
мосферы. В табл. 1 приведены средние значения давления, плотности, температуры и
концентрации газовых частиц в атмосфере Земли, начиная с высоты 200 км, которая
обычно принимается за нижнюю границу орбитальных полетов, до 10000 км.
Значения параметров верхней атмосферы, представленные в табл. 1, являются ре-
зультатом усреднения с учетом времени суток, гелиогеофизических условий и коор-
динат точки наблюдения, их можно использовать для ориентировочных оценок ваку-
умных условий на разных высотах. Более точные оценки производятся с помощью
эмпирических и теоретических моделей верхней атмосферы Земли (CIRA, MSIS,
МЕТ и др.), которые позволяют рассчитывать высотные распределения ее парамет-
ров для различных уровней солнечной и геомагнитной активности [11-13].
ВВЕДЕНИЕ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...
15
Таблица 1
Усредненные значения параметров атмосферы Земли в диапазоне высот 200-10 000 км
Высота, км Давление, Па Плотность, кг-м 3 Температура, К Концентрация частиц, м 3
200 1,9-1 О’4 4,3-10-’° 1290 1,0-10“
300 3,5-10-’ 5,5-10-" 1650 1,5-10”
400 9,6-10-6 1,310-" 1730 4,0-10’4
500 3,2-1 О'4 3,9-10'12 1750 1,3-10’4
600 1,2-10-6 1,4-10-’2 1760 4,9-10”
800 2,1-1(Г7 2,2-10’’3 1770 8,6-10’2
1000 4,9-10’8 4,3-Ю"’4 1770 2,0-1012
1500 5,7-10’9 2,2-1 О’” 1770 2,3-10"
2000 2,2-10-’ 6,0-ю-’6 1770 8,9-10’°
3000 4,9-10-’° 1,9-Ю-’6 1900 1,9-10’°
5000 3,0-Ю’10 4,5-10-" 3000 4,6-10’
10000 2,1-10-’° 1,0-1 О’” 15000 1,0-10’
До высоты -100 км состав атмосферы мало меняется. Выше этого уровня сущест-
венным становится процесс диссоциации молекул кислорода, вследствие чего в ин-
тервале высот -200-700 км атомарный кислород является основной атмосферной
составляющей. Выше 1000 км в составе атмосферы начинает преобладать гелий, а на
высотах в несколько тысяч километров атмосфера состоит преимущественно из ато-
мов водорода, причем выше 20 000 км она практически полностью ионизована.
Вопрос о газовом составе верхней атмосферы Земли является важным для нашего
рассмотрения, так как на низких околоземных орбитах одним из наиболее значимых
механизмов повреждения материалов, находящихся на поверхности КА, является их
эрозия под действием химически активного атомарного кислорода (гл. 1.6).
В табл. 2 приведены данные о распределении концентрации атомарного кисло-
рода п0 в интервале высот 200-1000 км для среднего уровня гелиогеофизической
активности, полученные путем усреднения результатов расчетов по трем разным
моделям [14].
Необходимо отметить, что при наличии у аппарата СВА давление в непосред-
ственной близости от него может значительно (иногда на несколько порядков) пре-
вышать давление в окружающем космическом пространстве. Образование СВА обу-
словлено процессами газовыделения с поверхности и из объема материалов, утечка-
Таблица 2
Высотное распределение концентрации атомарного кислорода
Высота, км 200 400 600 800 1000
«о, М’3 7,1-10” 2,5-Ю14 1,4-10” 9,910" 8,3-10’°
16
ВВЕДЕНИЕ
ми газов из внутренних отсеков КА, работой ракетных двигателей (РД) разных типов
и действием некоторых других источников. В состав СВА входят также твердые час-
тицы, отделяющиеся от поверхности КА и выбрасываемые РД.
Плотность СВА непостоянна во времени. В первые дни и даже недели после вы-
вода КА на орбиту идет его интенсивное обезгаживание, вследствие чего плотность
СВА высока. По окончании периода послезапускового обезгаживания плотность
СВА обычно стабилизируется на некотором уровне, определяемом состоянием дина-
мического равновесия между процессами поступления частиц в газовое облако, воз-
врата их на поверхность аппарата и рассеяния в окружающее пространство. Однако
это равновесие может нарушаться при появлении интенсивных локальных источни-
ков газовыделения, например, при включении РД, операциях шлюзования и т. п. СВА
из-за ее высокой плотности и сильно отличающегося от естественной космической
среды химического состава обычно рассматривается как самостоятельный фактор,
воздействующий на КА.
Существует также понятие собственная внутренняя атмосфера КА. Этим терми-
ном принято обозначать не только атмосферу внутренних отсеков КА, но в большей
степени газовую среду внутри герметичных или полугерметичных кожухов элект-
ронной и другой аппаратуры. В последние годы установлено, что эта газовая среда
может содержать химически активные компоненты, образующиеся в результате воз-
действия космической радиации на материалы и элементы находящейся внутри
кожухов аппаратуры. В свою очередь, эти активные компоненты могут вызывать
различные физико-химические процессы, ухудшающие параметры элементов аппа-
ратуры.
Для негерметизированных конструкций указанные газовые образования часто
рассматривают как компоненты единой собственной атмосферы КА. Эта атмосфера,
как и верхняя атмосфера Земли, может быть частично ионизована. Поэтому иногда
употребляют термин собственная ионосфера КА (см. гл. 3.4).
Холодная плазма в ОКП и плазма солнечного ветра
Холодной плазмой в магнитосфере Земли называется плазма со средней кинетиче-
ской энергией частиц менее 10 эВ [15]. Такая плазма присутствует в ионосфере Зем-
ли, которая определяется как область атмосферы на высотах 30-1000 км, содержа-
щая частично ионизованную холодную плазму [10]. Указанная верхняя граница ио-
носферы введена условно, поскольку вблизи нее параметры ионосферной плазмы не
претерпевают каких-либо резких изменений, и ионосфера плавно переходит в плаз-
мосферу.
Температура ионосферой плазмы составляет около 103 К (этой температуре соот-
ветствует энергия теплового движения частиц —0,1 эВ), а концентрация электронов и
ионов меняется в диапазоне ~ 106—1012 м-3.
В плазмосфере происходит постепенное уменьшение концентрации частиц и
увеличение температуры плазмы. Верхняя граница плазмосферы - плазмопауза -
находится на геоцентрическом расстоянии £ ~ 4. На плазмопаузе происходят скач-
кообразное уменьшение концентрации частиц от величины ~109 до ~107 м-3 и уве-
личение температуры заряженных частиц от ~104 К в плазмосфере до ~105 К за ее
ВВЕДЕНИЕ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...
17
пределами, что соответствует изменению кинетической энергии частиц от ~1 до
~10эВ. Положение плазмопаузы зависит от геофизических условий: при повыше-
нии солнечной и соответственно геомагнитной активности плазмопауза приближа-
ется к Земле, при понижении активности - удаляется. Наличие отчетливо выражен-
ного скачка электронной концентрации на плазмопаузе обусловлено различиями
характера движения заряженных частиц в плазмосфере и за ее пределами. Внутри
плазмосферы плазма совершает вращательное движение вместе с Землей, а за
плазмопаузой конвективное движение плазмы контролируется электрическими и
магнитными полями внешней магнитосферы.
За пределами магнитосферы Земли на КА воздействует солнечный ветер (СВ) -
поток плазмы, непрерывно вытекающий в межпланетное пространство из внешней
полностью ионизованной газовой оболочки Солнца - короны - и состоящий пре-
имущественно из электронов и протонов.
Не останавливаясь на рассмотрении процессов взаимодействия СВ с геомагнит-
ным полем и той важнейшей роли, которую он играет в формировании магнитосферы
Земли, поддержании баланса заряженных частиц внутри магнитосферы и солнечно-
земных связях, отметим, что в воздействии СВ на материалы КА главную роль игра-
ет ионная составляющая плазмы СВ, вызывающая распыление материалов и другие
эффекты.
Температура плазмы СВ близка к 105 К, т. е. к температуре частиц плазмосферы,
но кинетическая энергия протонов СВ (~1 кэВ), определяемая скоростью направлен-
ного движения плазмы в окрестности Земли (-500 км-с"1), значительно превышает их
тепловую энергию, что важно при анализе воздействия СВ на КА. Средняя концен-
трация электронов и протонов в плазме СВ составляет -7-106 м-3. Это обеспечивает
за счет скорости направленного движения плазмы плотность потока частиц
~3,5-1012 м"2-с-1. Отметим, что для ряда материалов коэффициент распыления под
действием протонов максимален как раз при энергии протонов ~103 эВ, характерной
Таблица 3
Средние значения концентраций и температур электронов и ионов в холодной плазме ОКП
Высота, км Ие.,-, М 3 Ге, К 4 к
Ионосфера
200 4,0-10’1 1350 880
300 4,9-10" 1280 980
500 1,7-10" 2130 1220
800 4,0-10’° 3 050 1900
1000 2,2-10’° 3 200 2000
Плазмосфера
2000 1,0-10'° 3400 2100
6000 5,0-10’ 5 000 3 000
20000 5,0-108 1,0-105 1,0-104
Солнечный ветер (вне магнитосферы) 7,0-106 1,5-105 9-104
Инэ Я............
18
ВВЕДЕНИЕ
для СВ. Указанные параметры СВ изменяются в зависимости от уровня гелиогеофи-
зической активности, во время сильных возмущений скорость СВ может возрастать
до ~1 ООО км-с"1.
В табл. 3 приведены усредненные значения концентрации электронов и ионов пе,
ni в ионосфере, плазмосфере и СВ, а также температуры электронной и ионной со-
ставляющих плазмы Те и 7). Как и для нейтральной верхней атмосферы, уточнение
приведенных в табл. 3 параметров плазмы, в частности ионосферной, применительно
к конкретным условиям производится с помощью соответствующих моделей [16].
Горячая магнитосферная плазма
Горячей плазмой в магнитосфере Земли называется плазма со средней кинети-
ческой энергией частиц более 100 эВ [15]. Воздействию такой плазмы подвергаются
главным образом КА, функционирующие на высоких орбитах, например, на геоста-
ционарной орбите (ГСО), расположенной в экваториальной плоскости на высоте
-36000 км. В высокоширотных областях горячая плазма {авроральная радиация) мо-
жет присутствовать на низких орбитах. Однако в этом случае зоны высыпания авро-
ральных электронов и протонов часто разнесены в пространстве, поэтому их потоки
можно рассматривать раздельно.
Характерные энергии частиц горячей магнитосферной плазмы лежат в диапазоне
1-100 кэВ, а значения концентрации частиц составляют 105-107 м"3. Для описания
энергетических спектров частиц горячей плазмы, в частности в области ГСО, обычно
используется двухтемпературное максвелловское распределение (см. гл. 1.8).
Энергетические спектры авроральных электронов и плотности их потоков близки
к соответствующим характеристикам горячей плазмы в области ГСО, однако в их диф-
ференциальных энергетических спектрах могут наблюдаться ярко выраженные дис-
кретные пики, являющиеся следствием ускорения в продольных электрических полях,
т. е. в электрических полях, направленных вдоль геомагнитных силовых линий.
Наиболее опасным следствием взаимодействия КА с магнитосферной плазмой
является электризация аппарата - накопление на его поверхности электрического
заряда и соответственно возникновение потенциала относительно невозмущенной
плазмы (гл. 1.8) [17]. Поскольку величина потенциала пропорциональна температуре
окружающей плазмы, это явление рассматривается чаще всего применительно к ус-
ловиям полета КА в горячей плазме.
Заряженные частицы высокой энергии в космическом пространстве
В данном рассмотрении под частицами высокой энергии будем понимать элек-
троны и ионы с энергией выше ~106эВ, способные проникать в материалы КА на
глубину более нескольких десятков микрометров, вызывая в объеме вещества иони-
зацию атомов, формирование локальных электрических зарядов, образование дефек-
тов, ядерные превращения и другие процессы [18].
За пределами магнитосферы главными факторами, оказывающими радиационное
воздействие на КА, являются галактические космические лучи (ГКЛ) и солнечные
космические лучи (СКЛ). ГКЛ - это изотропный поток протонов и более тяжелых
ядер, приходящий из удаленных областей нашей Галактики или из-за ее пределов.
ВВЕДЕНИЕ СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...19
Энергия частиц ГКЛ заключена в диапазоне 108-1021 эВ. Под СКЛ принято понимать
потоки заряженных частиц (в основном протонов) с энергиями ~106-1010 эВ, которые
испускаются Солнцем во время интенсивных вспышек. В некоторых случаях при
анализе радиационных воздействий на приповерхностные слои материалов внешней
оболочки КА, функционирующих вне магнитосферы, следует учитывать также воз-
действие потока плазмы СВ.
Проникновение частиц ГКЛ и СКЛ внутрь магнитосферы ограничивается экрани-
рующим действием геомагнитного поля. Тем не менее эти частицы могут вносить
заметный вклад в суммарное радиационное воздействие на КА внутри магнитосфе-
ры, особенно в полярных областях. Кроме того, в результате взаимодействия ГКЛ и
СКЛ с атомами верхней атмосферы образуется вторичная радиация (альбедо'), в со-
ставе которой в значительном количестве присутствуют нейтроны. Это дополнитель-
ное излучение следует учитывать при оценке радиационных условий на низких око-
лоземных орбитах (ниже 1 000 км).
Внутри магнитосферы основным фактором, оказывающим радиационное воздей-
ствие на КА, являются частицы РПЗ - захваченные геомагнитным полем электроны,
протоны и более тяжелые ионы, первичными источниками которых являются плазма
СВ, ионизованные частицы верхней атмосферы (ионосферы) и упоминавшиеся час-
тицы альбедо. Характерные значения энергии электронов и протонов РПЗ лежат в
диапазоне ~105-108 эВ. С момента открытия РПЗ принято разделять на внутренний,
центр которого в экваториальной плоскости находится на высоте около 3 000 км, и
внешний с центром на высоте 15-20 тыс. км. В настоящее время такое разделение
часто не производится, а для обозначения РПЗ используется также термин область
захваченной радиации. В тонких приповерхностных слоях материалов и покрытий,
находящихся на внешней оболочке КА, дополнительная поглощенная доза может
создаваться за счет воздействия горячей магнитосферной плазмы. Усредненные па-
раметры частиц ГКЛ, СКЛ, РПЗ и горячей плазмы приведены в табл. 4.
Таблица 4
Усредненные параметры потоков частиц ГКЛ, СКЛ, РПЗ
и горячей магнитосферной плазмы
Вид корпускулярного излучения Состав излучения Энергия частиц, МэВ Плотность потока, -2 л-1 м -С
ГКЛ протоны 102-1015 1,510“
ядра гелия (для всех групп ядер) 1,0-10’
более тяжелые ядра 1,2-10'
СКЛ протоны 1-Ю4 107-108
РПЗ протоны 1-30 310"
>30 2-108
электроны 0,1-1,0 1-1012
> 1,0 1Ю10
Г орячая протоны io’3-io_1 10"-10'“
магнитосферная плазма электроны
20
ВВЕДЕНИЕ
Указанные значения энергии и плотности потока частиц позволяют произвести
лишь ориентировочную оценку возможных радиационных воздействий на КА. Для
достаточно точных расчетов, которые реально необходимы при анализе радиацион-
ных эффектов в материалах и элементах оборудования КА, следует использовать
модели, описывающие пространственно-временные вариации параметров космиче-
ской радиации. Такие модели строятся преимущественно на основании эксперимен-
тальных данных, т. е. являются эмпирическими, причем требования, предъявляемые
к моделям, могут быть различными в зависимости от их назначения [8, 18, 19].
Основные закономерности наблюдаемых вариаций радиационных условий в
ОКП, а также характеристик верхней атмосферы Земли, ионосферы и плазмосферы
определяются изменениями уровня солнечной активности и связанными с этим из-
менениями межпланетной среды и геомагнитного поля. Для обозначения совокупно-
сти факторов, определяющих состояние околоземной космической среды и происхо-
дящие в ней изменения, в мировой научной литературе достаточно прочно утвер-
дился термин космическая погода (space weather). Задачей различных моделей
космической среды и является возможно более точное описание и прогнозирование
изменений космической погоды [20].
Солнечное электромагнитное излучение
Плотность потока энергии солнечного излучения составляет 1,4-103 Дж-м"2-с-1 (эта
величина называется солнечной постоянной). Около 9% энергии в солнечном спектре
приходится на УФ-излучение с длинами волн от 10 до 400 нм. Остальная энергия
разделена приблизительно поровну между видимой (400-760 нм) и инфракрасной
(760-5 000 нм) областями спектра. Плотность потока излучения Солнца в рентгенов-
ской области (0,1-10 нм) весьма мала (-5-10"4 Дж-м"2-с-1) и сильно меняется с изме-
нением уровня солнечной активности.
В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения Солн-
ца близок к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 6 000 К. Эта
температура соответствует температуре видимой поверхности Солнца - фотосферы.
В УФ и рентгеновской областях спектр солнечного излучения описывается другими
закономерностями, поскольку излучение этих областей исходит из хромосферы
(Т- 104 К), расположенной над фотосферой, и короны (Г~ 106 К) - внешней оболоч-
ки Солнца. В коротковолновой части солнечного спектра на непрерывный спектр
наложен целый ряд отдельных линий, наиболее интенсивной из которых является
водородная линия La (Х= 121,6 нм). При ширине этой линии около 0,1 нм ей соот-
ветствует плотность потока излучения -5-10”3 Дж-м"2-с-1. Интенсивность излучения в
линии Lp (X = 102,6 нм) приблизительно в 100 раз меньше.
Данные о распределении энергии в солнечном спектре представлены в табл. 5.
Здесь для разных спектральных интервалов приведены абсолютные и относительные
значения плотности потока энергии, а также значения энергии квантов излучения.
Отметим, что при проникновении солнечного излучения в атмосферу Земли вплоть
до высот 200 км оно испытывает очень малое поглощение, т. е. выше указанного
уровня спектр излучения можно считать неискаженным.
ВВЕДЕНИЕ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...
21
Таблица 5
Распределение плотности потока энергии в спектре солнечного излучения
Интервал длин волн, нм Плотность потока энергии, Дж-м"2-с-1 Доля от общего потока, % Энергия квантов, эВ
Ультрафиолетовое излучение 10-400 126 9,0 124-3,1
10-225 0,4 0,03 124-5,5
225-300 16 1,2 5,5-4,1
300-400 109 7,8 4,1-3,1
Видимое излучение 400-760 644 46,1 3,1-1,6
400-500 201 14,4 3,1-2,5
500-600 193 13,8 2,5-2,1
600-760 250 17,9 2,1-1,6
Инфракрасное излучение 760-5000 619 44,4 1,6-0,2
760-1000 241 17,3 1,6-1,2
1000-3 000 357 25,6 1,2-0,4
3000-5000 21 1,5 0,4-0,2
С точки зрения повреждающего воздействия солнечного излучения на материалы
особый интерес представляет УФ-излучение с длинами волн короче 200 нм - вакуум-
ное ультрафиолетовое излучение (ВУФ), энергия квантов которого достаточна для
разрыва молекулярных связей в материалах, например, полимерных (гл. 1.6, 1.7).
Метеорная материя и космический мусор
Достаточно подробные сведения о телах и мелких частицах, входящих в состав
метеорной материи и космического мусора, приведены в гл. 1.20, 3.5. Здесь лишь
отметим, что с точки зрения воздействия на КА все космические тела естественного
и искусственного происхождения можно разделить на две группы: способные вы-
звать катастрофическое разрушение КА, например, его разгерметизацию, и создаю-
щие локальные повреждения поверхности. К первой группе относят тела с попереч-
ными размерами свыше 0,5-1 см, а ко второй - более мелкие [7].
Частицы диаметром меньше 0,1-1 мм рассматриваются как регулярный фактор,
характеризуемый плотностью их потока, которая для самых мелких частиц может
достигать 103—104 м"2-год-1, а опасность для КА крупных частиц оценивается на ос-
новании вычисления вероятности столкновения с ними.
Важно указать, что в области низких околоземных орбит плотность потока тех-
ногенных частиц при их размерах меньше 10 мкм и больше 1 000 мкм уже превы-
шает плотность потока частиц естественного происхождения соответствующих
размеров.
22
ВВЕДЕНИЕ
3. Воздействие факторов космического пространства на КА
В табл. 6 представлены сведения об эффектах, возникающих при воздействии
космической среды на КА, вместе с данными, характеризующими ФКП, которые
были рассмотрены в предыдущем разделе. В левом столбце таблицы даны названия
воздействующих факторов и их основные параметры. В среднем столбце указаны
области локализации этих факторов в космическом пространстве или их происхож-
дение, а в правом - возникающие эффекты.
В нижней части таблицы выделены вторичные (индуцированные) факторы. Осо-
бенность факторов этой группы заключается в том, что они возникают в результате
воздействия первичных ФКП на КА, но каждый из них имеет собственные характе-
ристики и физические механизмы воздействия на материалы и оборудование.
К вторичным факторам иногда относят также температурный режим КА, харак-
терной особенностью которого может являться термоциклирование - периодическое
изменение температуры участков поверхности КА и элементов оборудования в диа-
пазоне приблизительно от -70 до +100°С вследствие изменения условий освещения
КА Солнцем, например, при вращении аппарата.
Совокупное рассмотрение ФКП вместе с вызываемыми ими эффектами позво-
ляет производить классификацию ФКП и наблюдаемых эффектов по различным
признакам.
Так, по расположению зоны оказываемого воздействия ФКП могут быть разде-
лены на два класса.
1. Факторы поверхностного воздействия, представляющие опасность для откры-
тых элементов аппаратуры и приповерхностных слоев (толщиной до нескольких со-
тен микрометров) материалов КА:
• космический вакуум;
• поток атомарного кислорода верхней атмосферы Земли;
• собственная атмосфера КА;
• заряженные частицы низкой энергии (частицы холодной и горячей магнито-
сферной плазмы и плазмы СВ);
• солнечное УФ-излучение;
• микрочастицы метеорной материи и космического мусора.
2. Проникающие факторы, оказывающие воздействие на глубокие слои материа-
лов и элементы оборудования, находящиеся во внутренних отсеках КА:
• электроны и ионы РПЗ, СКЛ и ГКЛ;
• крупные частицы метеорной материи и космического мусора.
Можно также классифицировать эффекты воздействия ФКП на КА по степени их
критичности для конкретных аппаратов. Очевидно, что такая классификация должна
проводиться с привлечением данных, характеризующих орбиты КА, особенности
конструкции аппаратов и установленного на них оборудования. Примеры характер-
ных орбит, используемых в практике космонавтики, приведены в табл. 7.
На материалы внешней поверхности КА, функционирующих в интервале высот
200-1 000 км, существенное влияние может оказывать набегающий поток атомар-
ного кислорода верхней атмосферы Земли.
ВВЕДЕНИЕ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...
23
Таблица 6
Факторы космического пространства и вызываемые ими эффекты
Факторы космического пространства Области локализации и происхождение Вызываемые эффекты
Поток нейтральных атомов (О): Верхняя атмосфера • Сублимация материалов.
F~ 1O18-1O2om~V Вакуум Р~ КГ4-! (Г" Па Земли, межпланетное пространство • Эрозия и потеря массы полимерных материалов
Электромагнитное Межпланетное • Усиление потерь массы.
солнечное излучение: F = 1,410’ Джм~2-с~' и околоземное пространство • Изменение механических, оптических и электрофизических свойств материалов. • Фотоэлектронная эмиссия. • Нагрев, термоциклирование
Холодная плазма: Ионосфера • Заряжение материалов: ср - 0,1-10 В.
Т~ 10-105 к и плазмосфера • Токи утечки.
и~ 106-10'2м’3 Земли • Свечение в окрестности КА
Плазма межпланетного пространства: Г-Ю5 К, и~107 м~’ v~ 5105 м с’1 Солнечный ветер • То же, что холодная плазма, а также радиационное воздействие на приповерхностные слои материалов
Горячая магнитосферная Магнитосфера Земли: • Заряжение материалов: ср ~ 1-30 кВ.
плазма: Т~ 1О’-1О5 эВ л~106м-’ область ГСО, плазменный слой, авроральные области • Радиационные эффекты
Электроны и ионы РПЗ: Е~ 0,1-30 МэВ Г~Ю8-10’2м-2-с~' Область захваченной радиации внутри магнитосферы Земли • Радиационные эффекты (эффекты дозы и мощности дозы): изменение электрофизических, оптических и механических свойств
Протоны солнечных вспышек: Е~ 1-Ю4 МэВ F- 107-108 м-2 с-' СКЛ • Радиационные эффекты
Потоки ядер высоких энергий: Е~ 1О’-1О’4МэВ F- 102-104 м-2,с-1 ГКЛ • Локальные радиационные повреждения. • Сбои в элементах микроэлектроники. • Световые вспышки
Потоки твердых частиц и тел: F- 10“4-10~2 м’2-с“' Метеороиды, газопылевые • Образование кратеров, эрозия поверхности, сквозной пробой стенок.
v~ Ю’-Ю’мс’1 оболочки ядра комет, космический мусор вОКП • Образование вторичных продуктов, эмиссионные явления, инициирование электрических разрядов
Вторичные (индуцированные) факторы: • электризация КА <р~ 0,1-Ю4 В; • объемное заряжение диэлектриков; • СВА КА; • собственная внутренняя атмосфера КА Область пространства в окрестности КА, поверхность КА и его внутренние отсеки • Электрические разряды: электромагнитные помехи, паразитные сигналы в кабелях, разрушение элементов оборудования и конструкции. • Загрязнение поверхности, рассеяние света в окрестности КА, снижение электрической прочности оборудования. • Окисление и коррозия элементов электронного оборудования
24
ВВЕДЕНИЕ
Таблица 7
Примеры характерных орбит с различными параметрами
Орбита Высота, км Наклонение, град.
Орбита МКС 400 51,6
Орбита станции «Мир» 350 51,6
Полярная орбита 600-800 80-90
Геостационарная орбита 35 790 0
Орбита спутников системы ГЛОНАСС 19100 64,8
Высокоэллиптическая орбита спутника типа «Молния-1» 500/39660 65
На эти высоты в полярных областях могут проникать потоки авроральных час-
тиц, а также частиц ГКЛ, СКЛ и РПЗ. Для низких орбит с относительно малым на-
клонением, например, для орбиты Международной космической станции (МКС),
наиболее опасным с точки зрения радиационного воздействия на КА является уча-
сток пересечения области Южно-Атлантической (Бразильской) магнитной анома-
лии, где из-за ослабления геомагнитного поля нижняя граница РПЗ значительно
опускается. В последние годы обнаружены локальные радиационные образования
на малых высотах, расположенные в приэкваториальных областях [21]. Протоны
СКЛ, несмотря на отклонение их геомагнитным полем, могут создавать значитель-
ную дополнительную дозовую нагрузку на экипажи и оборудование орбитальных
станций во время солнечных вспышек [19, 20, 22].
Для КА с достаточно высокими орбитами (~3 000-20 000 км) частицы РПЗ стано-
вятся одним из главных воздействующих факторов. За пределами магнитосферы
Земли на КА воздействуют неослабленные потоки частиц СКЛ и ГКЛ, а также плаз-
ма СВ.
Солнечное УФ-излучение воздействует в равной степени на КА, находящиеся
на разных орбитах, поскольку оно, как указывалось, практически без ослабления
проникает в верхнюю атмосферу Земли до высоты -200 км.
Воздействие метеорных частиц на КА мало зависит от высоты орбиты, а частицы
космического мусора распределены в ОКП неравномерно: наиболее значительна их
концентрация в области высот —800-1000 км, наблюдается также широтное распре-
деление таких частиц. Подробнее этот вопрос рассмотрен в гл. 1.20, 3.5.
Анализ степени опасности воздействия ФКП производится с учетом конструкци-
онных особенностей КА и специфики установленной на них аппаратуры. В послед-
ние годы значительно возрос интерес к исследованию физических процессов, проте-
кающих на поверхности КА. Это обусловлено тем, что на КА стали проводиться
длительные и весьма тонкие научные эксперименты с использованием высокочувст-
вительной аппаратуры. Поэтому более критичными стали такие, например, процессы,
как загрязнение элементов оборудования продуктами СВА или возникновение вто-
рично-эмиссионных токов. Аналогичные замечания можно сделать в отношении
электромагнитных помех, генерируемых электростатическими разрядами (ЭСР),
которые являются следствием упоминавшегося выше явления электризации КА.
ВВЕДЕНИЕ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...
25
Поскольку электризация КА вызывается космическими излучениями той или
иной природы, это явление иногда называют радиационной электризацией. Исполь-
зуется также термин заряжение КА, причем в англоязычной литературе применяется
исключительно последний термин (spacecraft charging).
При анализе возможности возникновения и характеристик ЭСР необходимо ис-
следовать локализацию электрических зарядов на КА, в том числе локализацию заря-
дов в объеме диэлектриков. При заряжении диэлектрических материалов КА в горя-
чей магнитосферной плазме глубина проникновения электронов плазмы с характер-
ными энергиями до 50 кэВ составляет -20-30 мкм, в то время как электроны РПЗ с
энергиями -2-10 МэВ проникают в толщу диэлектриков на глубину -0,5-2 см.
Эти два случая электризации принято разделять при исследовании ЭСР: первый
случай называют поверхностной электризацией (surface charging), а второй - объем-
ной электризацией (bulk charging). Объемную электризацию диэлектриков называют
также внутренней электризацией (internal charging). Однако последний термин часто
используется в ином смысле - для обозначения электризации элементов конструк-
ции, находящихся во внутренних отсеках КА за защитной оболочкой (см. гл. 2.7).
При этом могут рассматриваться и металлические элементы, изолированные от об-
щего корпуса КА.
Причиной разделения радиационной электризации диэлектриков на поверхност-
ную и объемную является не только отличие глубин локализации внедренного элект-
рического заряда, но также и существенное отличие в указанных двух случаях физи-
ческих процессов накопления заряда, потоков первичных заряженных частиц, приво-
дящих к его накоплению, и временных характеристик процессов.
При заряжении в магнитосферной плазме характерные величины первичных то-
ков составляют -10”10-10”8 А-см”2, ток фотоэлектронной эмиссии для большинства
материалов лежит в пределах (1-5)4 О”9 А-см"2, характерные времена общего заряже-
ния КА составляют -0,3-0,5 с, а дифференциального заряжения - от единиц до де-
сятков минут.
Объемное заряжение диэлектрических материалов КА под действием электронов
РПЗ характеризуется следующими параметрами: ток электронов -10”13-10-11 А-см”2,
характерные времена заряжения измеряются часами. Вторично-эмиссионные токи в
этом случае не оказывают влияния на процесс формирования внедренного объемного
заряда.
Как при поверхностном, так и при объемном заряжении диэлектрических мате-
риалов КА существенную роль в установлении равновесного состояния играет собст-
венная (темновая) и радиационно-стимулированная (радиационная) проводимость
(radiation induced conductivity) диэлектриков. Поэтому при анализе заряжения КА и
природы ЭСР вопросам изменения собственной проводимости диэлектриков в усло-
виях космического пространства и роли в переносе зарядов радиационной проводи-
мости уделяется большое внимание (гл. 1.12, 1.13).
Имеется значительное количество расчетно-теоретических и экспериментальных
работ, посвященных исследованию формирования объемного заряда в диэлектри-
ческих пленках толщиной -100 мкм при облучении их электронами с энергией
-1-50 кэВ (см. гл. 1.11-1.13). В обсуждаемых моделях облучаемая поверхность
пленки может иметь напыленный металлический электрод, соединенный с подлож-
26
ВВЕДЕНИЕ
кой, либо может быть открытой. Однако до настоящего времени нет единой точки
зрения на механизм возникновения ЭСР в таких условиях.
Явление электризации КА интенсивно изучалось в 1970-х - 1980-х гг. в связи с
запусками геостационарных КА, поскольку для их бортового оборудования воздей-
ствие ЭСР, обусловленных электризацией, оказалось весьма критичным. Предприня-
тые усилия позволили в деталях понять физические аспекты проблемы электризации
КА, создать теоретические и математические модели этого явления, разработать
компьютерные программы для моделирования электризации реальных КА с учетом
особенностей их конфигурации и свойств конструкционных материалов, предложить
и внедрить эффективные инженерные методы защиты КА от воздействия электриза-
ции. Все это явилось причиной некоторого снижения интереса к проблеме в конце
1980-х - начале 1990-х гг. как за рубежом, так и в нашей стране, что отчасти опреде-
лялось и экономическими факторами.
Однако внедрение новых технологий создания КА и повышение требований к
срокам их активного существования и надежности в сочетании с появлением боль-
шого количества новых экспериментальных и расчетных данных, в частности данных
относительно объемного заряжения диэлектрических материалов в условиях космо-
са, потребовало вновь серьезно обратиться к проблеме электризации КА в различных
ее аспектах.
В 1998 г. было возобновлено проведение конференций по электризации КА в ста-
тусе международных. В последние годы под эгидой Европейского космического
агентства (ESA) развернуты работы по созданию компьютерных моделей электри-
зации КА нового поколения в рамках проектов SPIS (Space Plasma Interaction System)
[23] и SPINE (Space Plasma Interaction Network in Europe) [24], а также по разработ-
ке новых стандартов в области взаимодействия КА с окружающей средой (проект
ECSS - European Cooperation for Space Standards-Engineering-Software) [25].
Переходя к рассмотрению воздействия на КА заряженных частиц высокой энер-
гии, следует особо отметить ставшую весьма острой для КА с орбитами любых типов
проблему возникновения радиационных эффектов в элементах бортового электрон-
ного оборудования в результате воздействия отдельных заряженных частиц, входящих
в состав ГКЛ или РПЗ. Существует несколько видов таких эффектов (см. гл. 1.19), но
наиболее часто возникают обратимые одиночные сбои (single event upsets - SEU).
Появление этой проблемы, как ни парадоксально, явилось следствием техноло-
гического прогресса в микроэлектронике. В современных интегральных схемах с
высокой степенью интеграции электрические заряды, управляющие их работой,
оказались сопоставимыми с зарядами, образующимися в материале микросхемы
при прохождении тяжелых ядер ГКЛ или высокоэнергетических протонов РПЗ.
Эти внесенные электрические заряды при перемещении их в электрических полях
внутри микросхемы и приводят к возникновению сбоев.
Важнейшим параметром, определяющим вероятность возникновения сбоя, явля-
ется линейная передача энергии (ЛПЭ) веществу микросхемы при торможении в нем
заряженной частицы (в англоязычной литературе LET - linear energy transfer). Сле-
дует заметить, что аббревиатура ЛПЭ используется также для обозначения линейных
потерь энергии заряженной частицы. Значения этих параметров в общем случае не
ВВЕДЕНИЕ СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...27
совпадают. Отличие связано с тем, что энергия, переданная веществу в элементарном
слое, определяется не только потерями энергии тормозящейся частицы, но и балан-
сом энергий, приносимых в рассматриваемый элементарный слой и уносимых из не-
го вторичными частицами и квантами. Во многих прикладных задачах указанным
отличием можно пренебречь.
При одновременном или последовательном воздействии на материалы КА не-
скольких факторов может наблюдаться неаддитивность воздействия, когда конеч-
ный эффект не равен сумме эффектов от воздействия отдельных факторов, причем
комплексное воздействие ФКП может как усиливать, так и ослаблять повреждение
материалов. Подобные неоднозначные проявления неаддитивности наблюдаются,
например, при воздействии в различных сочетаниях электронов, протонов, солнечно-
го УФ-излучения, атомарного кислорода верхней атмосферы на ТРП, наносимые на
поверхность КА для стабилизации его температурного режима (см. гл. 1.6, 2.2). Воз-
действие атомарного кислорода способно замедлять потемнение ТРП, вызываемое
другими ФКП, и даже в определенной степени восстанавливать исходные параметры
ТРП (эффект плазмоотбеливания) [26]. Этот эффект обусловлен двумя механизмами:
физико-химическим воздействием атомарного кислорода на ТРП и удалением пленки
загрязнения с поверхности.
Эффекты неаддитивности, которые иногда называют также синергическими (си-
нергетическими) эффектами, применительно к воздействию ФКП на материалы
изучены пока недостаточно. Например, нет единого мнения о возможности возник-
новения неаддитивности при одновременном воздействии атомарного кислорода и
УФ-излучения на полимеры. Не существует даже строгой классификации подобных
эффектов. Так, усиление загрязнения поверхности КА продуктами СВ А при одно-
временном воздействии электронов горячей космической плазмы или солнечного
УФ-излучения (радиационная прививка) может быть отнесено к их числу. А такие
явления, как снижение отрицательного потенциала КА и дополнительное загрязнение
его поверхности в условиях электризации за счет собирания ионизованных продук-
тов СВА, инициирование ЭСР в радиационно заряженных диэлектрических материа-
лах ударами микрометеорных частиц или частиц космического мусора, усиление
эрозии поверхности под действием атомарного кислорода в областях, поврежденных
ударами твердых частиц, следует скорее рассматривать как эффекты взаимных свя-
зей между механизмами воздействия ФКП на КА.
4. Воздействие ракетно-космической техники на космическую среду
Использование упоминавшегося выше термина «экология ОКП» основывается на
восприятии околоземного пространства как части нашей среды обитания. Это оправ-
дано, с одной стороны, последовательно расширяющейся хозяйственной деятельно-
стью в космосе, а с другой - важнейшей ролью, которую играет околоземная среда
(геомагнитное поле, верхняя атмосфера) в защите всего живого от губительного воз-
действия космических излучений. Такой подход позволяет применять, хотя и с опре-
деленными ограничениями, основные принципы и методы, сложившиеся в традици-
онной экологии, к изучению техногенных воздействий на ОКП.
28
ВВЕДЕНИЕ
Таблица 8
Типы и последствия техногенного загрязнения ОКП
Типы загрязнений Источники Последствия
Механическое Фрагменты КА и ракет, частицы покрытий КА, твердые частицы выхлопа РД Космический мусор и пыль, повреждения КА, помехи астрономическим наблюдениям, воздействия на верхнюю атмосферу
Химическое Ракетные двигатели, электроракетные двигатели. Наземные источники Ионосферные дыры, нарушения радиосвязи, изменение состава верхней атмосферы, разрушение озонного слоя, неустойчивости в магнитосфере
Радиоактивное Бортовые ядерные энергетические устройства (ЯЭУ) Опасность радиоактивного загрязнения атмосферы и поверхности Земли при разрушении ЯЭУ
Электромагнитное Бортовые передатчики ВЧ. Наземные передатчики ВЧиОНЧ Возмущения ионосферы и магнитосферы, высыпания заряженных частиц, помехи радиосвязи
Принято выделять четыре типа техногенных воздействий на космическую среду
или, как их еще называют, загрязнений космического пространства', механическое,
химическое, радиоактивное и электромагнитное [3, 4]. Информация об источниках и
последствиях этих воздействий представлена в табл. 8.
Общие сведения об объектах, входящих в состав космического мусора, были даны
выше. Космический мусор представляет опасность прежде всего для самих КА. По-
степенное накопление космического мусора в ОКП привело к тому, что в настоящее
время на низких околоземных орбитах вероятность столкновений КА с осколками и
мелкими частицами искусственного происхождения выше, нежели с естественными
телами и частицами тех же размеров.
Столкновения крупногабаритных космических объектов еще маловероятны, хотя
такие события уже известны. Так, в июле 1996 г. фрагмент последней ступени ракеты
«Ariane» повредил французский ИСЗ «Cerise», высота орбиты которого около 670 км,
а в январе 2005 г. на высоте 880 км произошло столкновение фрагментов двух ракет,
запущенных в разные годы США и Китаем. За время продолжавшегося более 15 лет
полета орбитальной станции «Мир» несколько раз происходили сближения с ней
крупных искусственных тел на расстояние 1-3 км [27].
Дальнейшее накопление техногенных объектов на околоземных орбитах очень
опасно тем, что после достижения некоторого критического уровня может начаться
лавинообразный рост их числа вследствие фрагментации при взаимных столкновени-
ях. Это сделает через какое-то время деятельность в космосе практически невозмож-
ной. Оценки условий, сроков начала и скорости такого процесса сильно расходятся,
однако необходимость безотлагательного принятия технических и организационных
мер по ограничению засорения ОКП не вызывает сомнений. В числе первоочередных
мер рассматривают исключение взрывов КА, ограничение попадания на орбиты со-
путствующих фрагментов и уменьшение количества запусков. Уже реализуются ме-
ры по удалению с рабочих орбит КА, прекративших активное функционирование. С
ВВЕДЕНИЕ СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...29
этой целью низкоорбитальные КА тормозят для скорейшего сгорания в атмосфере, а
высокоорбитальные, например геостационарные, переводят на орбиты с другими
параметрами, где они могут существовать продолжительное время, не создавая по-
мех работающим КА. Обсуждаются также проекты создания различных космических
«мусоросборщиков», но пока все они являются слишком дорогостоящими.
При сгорании в атмосфере космический мусор создает локальные загрязнения. Но
специалистами высказываются опасения относительно возможного глобального
влияния искусственной пыли на верхнюю атмосферу, а также оцениваются вероят-
ные помехи, которые может создавать космический мусор для астрономических на-
блюдений [28].
Рассматривается и опасность падения искусственных космических объектов на
земную поверхность. В 1979 г. произошло непредвиденно быстрое снижение амери-
канской орбитальной станции «Skylab». К счастью, ее несгоревшие обломки упали в
малонаселенных районах Австралии, не причинив никакого вреда. Аналогичная
участь постигла в 1991 г. российскую станцию «Салют-7». На этом фоне контроли-
руемый спуск с орбиты комплекса «Мир» в марте 2001 г. представлял значительно
меньшую опасность.
К сожалению, полностью исключить аварийные ситуации невозможно. В этой
связи необходимо указать, что в составе космического мусора есть неработающие
КА с источниками энергии, содержащими радиоактивные вещества (см. гл. 2.4, 3.7).
При нештатном торможении и разрушении таких КА, в том числе вследствие столк-
новений с другими техногенными объектами, возможно радиоактивное загрязнение
верхней атмосферы, а в некоторых случаях - загрязнение земной поверхности.
Уменьшение засоренности ОКП играет важную роль в предотвращении подобных
аварий.
Химическое загрязнение ОКП обусловлено работой ракетных двигателей разных
типов, которые выбрасывают в космическое пространство газообразные продукты
(Н2, Н2О, СОХ, NOX, Cl, СЮ и др.), плазму (Аг+, Хе+) и твердые частицы (А12О3). При
запусках мощных ракет суммарная масса выбрасываемых продуктов измеряется сот-
нями тонн. Наиболее известным последствием химического загрязнения является
возникновение после запуска мощных ракет упоминавшихся выше ионосферных
дыр, которые образуются в результате взаимодействия продуктов сгорания ракетного
топлива с ионосферной плазмой. Такое взаимодействие вызывает появление слож-
ных положительных ионов, быстро рекомбинирующих с электронами, что и при-
водит в конечном итоге к снижению электронной концентрации на высотах
-200-500 км.
Некоторое локальное воздействие запуски ракет оказывают также на озонный
слой и верхнюю атмосферу. Поскольку вокруг озонного слоя на протяжении послед-
них десятилетий не утихают бурные дискуссии, следует подчеркнуть, что в глобаль-
ном масштабе роль запусков ракет в его разрушении ничтожно мала. Значительно
большую опасность представляют газовые выбросы наземных промышленных и
сельскохозяйственных комплексов, содержащие С1 и NO.
Электромагнитное загрязнение обусловлено проникновением в ионосферу и маг-
нитосферу Земли ВЧ- и ОНЧ-излучений. Это может приводить к модификации ионо-
30
ВВЕДЕНИЕ
сферной плазмы и высыпаниям электронов из магнитосферы (см. гл. 3.2). Бортовые
передатчики КА, имеющие сравнительно малую мощность, вносят очень малый
вклад в электромагнитное загрязнение ОКП. Указанные выше процессы обусловлены
главным образом работой мощных наземных передатчиков, а также ОНЧ-излучением
линий электропередачи. Однако в будущем при реализации некоторых крупных кос-
мических проектов, например проекта создания на ГСО солнечных электростанций
мощностью 5-10 ГВт, осуществление которого технически возможно уже сейчас,
придется решать проблему передачи энергии на землю с помощью мощных СВЧ-пе-
редатчиков или лазеров.
Для оценки общего состояния работ по изучению техногенных воздействий на
ОКП можно рассмотреть три уровня проводимых исследований:
• теоретический (разработка физических и математических моделей);
• экспериментальный (проведение натурных экспериментов в ОКП, включая ак-
тивные эксперименты);
• эколого-информационный (экологический мониторинг ОКП с целью регуляр-
ного контроля загрязнений разных видов и вызываемых ими последствий).
Результаты такой оценки состояния исследований представлены в табл. 9, где
значками «+» и «-» указано наличие либо отсутствие соответствующего уровня ис-
следований для загрязнений разных видов [4].
Таблица 9
Состояние исследований техногенного загрязнения ОКП
Виды загрязнений Уровни исследований
Модели Эксперимент Мониторинг
МЕХАНИЧЕСКОЕ
наблюдаемый мусор + + +
ненаблюдаемый мусор + + -
ХИМИЧЕСКОЕ
озоносфера + + —
ионосфера + + —
магнитосфера + - -
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ
ионосфера + + —
магнитосфера + + -
РАДИОАКТИВНОЕ
радиационное загрязнение + — +
радиоактивный мусор + — —
Из таблицы видно, что относительно удовлетворительным является состояние ра-
бот по изучению крупной фракции космического мусора вследствие доступности
наблюдений наземными оптическими и радиолокационными средствами. При прове-
дении исследований других техногенных воздействий на ОКП нужны новые органи-
зационные и технические решения, особенно в части расширения натурных экспери-
ментов и создания систем мониторинга ОКП.
ВВЕДЕНИЕ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...
31
5. Используемые методы исследований
Для решения задач, связанных с анализом взаимодействия КА с окружающей
космической средой, используют три группы методов:
• наземные лабораторные эксперименты и испытания образцов материалов, эле-
ментов и узлов оборудования, уменьшенных макетов КА и полномасштабных
аппаратов;
• теоретические исследования и компьютерное моделирование;
• натурные (летные) эксперименты в космосе на борту КА.
Эти методы тесно связаны между собой и часто используются совместно, что мо-
жет быть проиллюстрировано с помощью рис. 1 на примере изучения радиационной
стойкости материалов и оборудования КА [29].
Исходными данными для формулировки задач и выбора методов исследований
являются:
• модели и стандарты космической радиации (1);
• типы орбит и время жизни КА (2);
• конструкция КА, используемые материалы и бортовое оборудование (3).
Рис. 1. Схема организации исследований воздействия космической радиации
32
ВВЕДЕНИЕ
На основании указанных данных формулируются требования к лабораторному
испытательному оборудованию, математическим моделям и программам, которые
должны использоваться для исследования воздействия космической радиации (4).
Затем с учетом этих требований выбираются наиболее подходящие эксперименталь-
ные методы и установки (5) и/или математические модели и программы (6).
Часто экспериментальные и математические методы используются совместно и
дополняют друг друга: выбор параметров лабораторных установок производится с
использованием результатов математического моделирования, а результаты лабора-
торных исследований радиационных эффектов являются входными данными для мо-
делирования.
Комплексные космические эксперименты (7), в которых одновременно изучаются
характеристики внешней космической среды, радиационные условия внутри КА и
радиационные эффекты в различных материалах, организуются с учетом результатов
как лабораторных исследований, так и математического моделирования.
Совокупность данных, получаемых всеми методами, используется для построения
моделей деградации материалов и элементов оборудования КА в различных условиях
эксплуатации (8) и разработки на их основе методов прогнозирования надежности и
срока активного существования КА (9), а также рекомендаций по его защите от ра-
диационных воздействий (10).
При проведении наземных испытаний материалов используют два основных под-
хода, которые в свое время были названы имитацией и моделированием воздействия
ФКП [30,31]. При имитации стремятся воспроизвести в лабораторных установках
характеристики космической среды в полном соответствии с условиями космическо-
го пространства. Такой подход не требует каких-либо исходных предположений и
дополнительных данных о характере исследуемых процессов. Однако очевидно, что
в лабораторных условиях практически невозможно воспроизвести, например, харак-
теристики космической радиации из-за сложности энергетических спектров и состава
космических излучений, а также обеспечить одновременное воздействие на иссле-
дуемые объекты всей совокупности ФКП. Кроме того, проведение подобных испыта-
ний требует значительных материальных затрат.
По указанным причинам значительно чаще используется моделирование воздей-
ствия ФКП на исследуемые объекты: материалы и элементы оборудования КА. В
этом случае на основании тех или иных исходных предположений и сведений о фи-
зических механизмах повреждения исследуемого объекта производится выбор одно-
го или нескольких ФКП, оказывающих наибольшее повреждающее воздействие.
Испытания в случае моделирования проводятся, как правило, ускоренно при со-
кращении их длительности в 100-1 000 раз по отношению к периоду эксплуатации
материалов и аппаратуры в космосе. Часто практикуется также применение моно-
энергетических источников излучений и замена излучений одних видов другими.
Данный подход, помимо выигрыша во времени, дает значительный экономический
эффект. Однако он требует знания специфики физических механизмов воздействия
ФКП на испытуемые объекты, поскольку недостаточная научная обоснованность
ускоренных испытаний и указанных выше замен может привести к получению оши-
бочных результатов.
ВВЕДЕНИЕ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...
33
Вместе с тем, разработанные позднее стандарты, определяющие порядок и усло-
вия радиационных испытаний электронной компонентной базы, трактуют понятия
«моделирующие установки» и «имитационные установки» иначе, фактически про-
тивоположно (см. гл. 2.12). Эти расхождения в терминологии следует принимать во
внимание.
В последние годы, в связи с резким ростом вычислительных мощностей персо-
нальных компьютеров и расширением возможностей удаленного доступа к супер-
компьютерам, имеющимся в крупных научных центрах, все большее применение
находят вычислительные методы моделирования йроцессов взаимодействия КА с
окружающей средой. При проведении таких вычислений можно весьма детально за-
дать исходные характеристики воздействующих ФКП, не представляет серьезных
трудностей включение в анализ нескольких воздействующих факторов и т. д. Однако
и в этом случае необходимо привлечение исходных данных о физических механиз-
мах взаимодействия и характеристиках космической среды, описываемых с помощью
тех или иных моделей.
Рис. 2. Требования к моделям космической среды при решении различных задач
34
ВВЕДЕНИЕ
Разработка моделей космической среды является одним из важнейших разделов в
исследованиях по проблеме взаимодействия КА с окружающей космической средой.
Модели космической среды используются при решении всей совокупности сформу-
лированных выше задач как экспериментальными, так и расчетно-теоретическими
методами. Поэтому требования, предъявляемые к моделям, также могут быть весьма
разнообразными и зависят от предполагаемой области их применения (рис. 2).
Безусловно, невозможно разрабатывать отдельные модели космической среды для
каждой области применения. Более приемлемым является создание универсальных
моделей с максимальными данными и возможностями, которые удовлетворяли бы
требованиям всех указывавшихся задач. Однако практическое применение таких мо-
делей часто встречает затруднения. Поэтому для решения прикладных задач пер-
спективным является создание компьютерных экспертных систем, в которые слож-
ные модели космической среды входят как составная часть наряду с базами данных о
различных эффектах взаимодействия КА с окружающей средой. Обращение к экс-
пертным системам должно осуществляться в технических терминах, таких как пара-
метры орбит, сроки полета КА и т. п.
Экспертные системы более высокого уровня могут иметь каналы получения опе-
ративной информации о состоянии околоземной космической среды со спутников
(скорость солнечного ветра, межпланетное магнитное поле, потоки заряженных час-
тиц и др.) и с наземных средств наблюдения (геомагнитные индексы, солнечное элект-
ромагнитное излучение, данные нейтронных мониторов и т. д.). В этом случае эксперт-
ные системы могут работать в режиме реального времени, что позволит оперативно
прогнозировать возможные неблагоприятные последствия воздействия ФКП на КА и
давать рекомендации по управлению аппаратом с целью их предотвращения.
6. Наиболее важные задачи современных и перспективных исследований
В процессе развития космических систем необходимо постоянное обновление и
дополнение имеющихся данных практически по всем видам взаимодействия КА с
окружающей космической средой. Когда какие-то задачи успешно решаются, их ост-
рота на некоторое время снижается, но появляются другие задачи, требующие их
серьезного изучения и решения.
В качестве главных задач текущего периода при изучении взаимодействия КА с
окружающей средой можно рассматривать:
• точное определение и прогнозирование поглощенных доз космической радиа-
ции в материалах и оборудовании КА с детализацией его структуры вплоть до
отдельных элементов микроэлектроники (задача микродозиметрии);
• изучение механизмов возникновения одиночных сбоев в элементах микроэлек-
троники и создание эффективных методов защиты от них;
• исследование объемного заряжения диэлектриков в космической среде, ха-
рактеристик вызываемых им разрядов, возможных методов предотвращения
разрядов;
• проведение лабораторных и натурных экспериментов по изучению потери
массы полимерных материалов под действием потока атомарного кислорода,
ВВЕДЕНИЕ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...
35
разработка теории процессов, совершенствование методов защиты материа-
лов;
• изучение синергических эффектов (неаддитивности воздействий);
• исследование состава собственной внутренней атмосферы КА и ее влияния на
материалы и оборудование;
• комплекс работ по проблеме космического мусора;
• разработку системы критериев оценки и определение предельно допустимых
уровней техногенных воздействий на ОКП.
Порядок перечисления этих задач не следует связывать со степенью их важ-
ности. Все они весьма актуальны на современном этапе исследований и рассматри-
ваются в соответствующих главах данного тома. Здесь прокомментируем лишь не-
которые из них.
Необходимость точного определения и прогнозирования поглощенных доз кос-
мической радиации в отдельных элементах бортового оборудования КА с учетом их
взаимного экранирования связана, в первую очередь, с требованием увеличения сро-
ков активного существования КА до 12-15 и более лет, а также с широким использо-
ванием негерметизированных конструкций КА, лишенных достаточно толстой внеш-
ней оболочки. Радиационная стойкость современной элементной базы, используемой
в бортовой электронной аппаратуре КА, в ряде случаев оказывается недостаточной
для работы в таких условиях, если требования к ней определять на основании рас-
четных оценок с использованием моделей защитных экранов простой конфигурации
и больших коэффициентов запаса.
В этой связи сейчас большое внимание уделяется также разработке способов
локальной радиационной защиты наиболее критичных элементов бортовой элект-
ронной аппаратуры, в том числе с применением специально создаваемых компози-
ционных материалов [32].
Для крупногабаритных космических объектов, к которым относится, например,
МКС, при точном определении локальных поглощенных доз важно учитывать вто-
ричные излучения, рождающиеся в материалах конструкции, в частности нейт-
роны.
Новые задачи, связанные с определением дозовых нагрузок на КА, возникают и
при освоении новых орбит и траекторий выведения КА. Например, в последние
годы активно разрабатываются различные схемы выведения КА на ГСО методом
малой тяги с помощью электроракетных двигателей (ЭРД). В подобных схемах
предполагается выводить КА ракетой-носителем на исходную высокоэллиптиче-
скую орбиту, а затем в течение приблизительно полугода с помощью ЭРД транс-
формировать исходную орбиту в геостационарную, постепенно изменяя высоты
перигея и апогея, а также наклонение орбиты.
Поскольку КА при таком способе выведения многократно проходит через область
РПЗ, естественно возникает вопрос о величине дозы, поглощаемой за время выведе-
ния. Расчеты, проводившиеся в НИИЯФ МГУ, показали, что при достаточно удачном
выборе параметров траектории выведения величина дозы, набираемой за время вы-
ведения, не превышает 10-12% от дозы, соответствующей 10-летнему сроку пребы-
вания КА на ГСО [18].
36
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы сбоев в элементах микроэлектроники под действием
одиночных заряженных частиц обусловлена увеличением числа используемых на КА
бортовых компьютеров и другого электронного оборудования, а также трудностью
защиты от таких сбоев. В этом случае необходимый уровень защиты во многих слу-
чаях не может быть обеспечен за счет увеличения толщины защитных экранов. По-
этому применяют другие методы, основанные на логическом отборе случайных сиг-
налов, дублировании элементов запоминающих устройств и периодической переза-
писи содержащейся в них информации.
Проблема потери массы полимерных материалов и изменения их свойств под
действием набегающего потока атомарного кислорода при полете КА на высотах
-200-700 км по-прежнему остается актуальной, в особенности для КА с длитель-
ным сроком активного существования.
Синергические эффекты при комплексном воздействии ФКП на материалы до
настоящего времени остаются плохо изученными. Сейчас исследованиям в этом
направлении уделяется большое внимание.
В числе проблем, связанных с воздействием космических систем на околозем-
ную космическую среду, главной на сегодняшний день, безусловно, является про-
блема космического мусора. Другие виды воздействий ракетно-космической тех-
ники на космическую среду пока изучены меньше, и оценки степени их опасности
часто противоречивы. Поэтому сейчас очень важно на основании объективных на-
учных данных определить предельно допустимые уровни различных воздействий
на космическую среду подобно тому, как такие уровни установлены в наземной
хозяйственной деятельности.
Формулируя задачи перспективных исследований, необходимо отметить, что
решение многих из этих задач ведется и в настоящее время, а некоторые из них
частично уже решены. Однако здесь важно подчеркнуть, что от решения именно
этих задач зависят в ближайшем будущем успехи в исследованиях взаимодействия
КА с окружающей средой.
В числе таких ключевых задач укажем:
• разработку обновленных моделей космической среды, включая динамические
модели;
• разработку инженерных математических моделей и программного обеспечения
для компьютерного моделирования процессов взаимодействия;
• создание экспертных систем для прогнозирования и анализа функционирова-
ния КА, в том числе систем, работающих в режиме реального времени;
• создание лабораторных испытательных установок нового поколения;
• проведение комплексных натурных экспериментов по изучению условий в
космической среде, воздействия ФКП на КА, а также обратного воздействия
КА на окружающую космическую среду;
• разработку международных стандартов по моделям космической среды и мето-
дам испытаний КА под эгидой Международной организации по стандартиза-
ции (ISO);
• мониторинг ОКП и правовое регулирование техногенных воздействий на око-
лоземную среду.
ВВЕДЕНИЕ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...
37
Отдельно необходимо остановиться на той огромной роли, которую может сыг-
рать в недалеком будущем применение в космической технике наноматериалов и из-
делий на их основе. Уже ведутся поисковые исследования возможностей создания
наноструктурированных защитных и терморегулирующих покрытий КА, примене-
ния наноматериалов в узлах трения, работающих в условиях открытого космоса,
изготовления различных наносенсоров и других элементов оборудования КА. Реали-
зация некоторых обсуждаемых уникальных проектов может привести к кардиналь-
ным изменениям методов конструирования космической техники.
Однако внедрение наноматериалов и наноструктур в изделия ракетно-косми-
ческой техники сопряжено с необходимостью пересмотра многих физических пред-
ставлений о процессах воздействия ФКП на материалы и создания новых методов
исследования этих процессов. Например, при радиационных воздействиях на нано-
материалы и наноструктуры уход продуктов ядерных взаимодействий, в частности
ядер отдачи, из области взаимодействия существенно меняет количество вещества в
рассматриваемой структуре и пространство выделения энергии первичного излуче-
ния. Следовательно, в данном случае отчасти утрачивает физический смысл понятие
«поглощенная доза» в традиционной его трактовке, и требуется на основании иссле-
дования специфики протекающих процессов разработать новые физические понятия
и термины, которые могут быть использованы в нанодозиметрии.
Аналогичные замечания можно сделать в отношении ионного распыления нано-
материалов, их распыления нейтральным атомарным кислородом верхней атмосферы
Земли, ударного воздействия частиц космической пыли и других процессов.
Космонавтика продолжает активно развиваться. В ближайшие десятилетия меж-
дународному сообществу предстоит реализовать ряд крупных космических проектов:
полет на Марс, строительство обитаемых баз на Луне, создание на околоземных ор-
битах производственных и энергетических комплексов. Осуществление этих проек-
тов будет в значительной степени опираться на достижения в области изучения взаи-
модействия КА с окружающей космической средой. Накопленные научные данные и
результаты последующих исследований, несомненно, позволят найти наиболее ра-
циональные пути дальнейшего совершенствования ракетно-космической техники и
развития космической деятельности в гармоничном сочетании с необходимыми при-
родоохранными мероприятиями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акишин А.И., Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов.
М.: Знание, 1983, 64 с.
2. Вернов С.Н., Вакулов П.В., Логачев Ю.И. Радиационные пояса Земли. В кн.: Успехи СССР в исследо-
вании космического пространства. Первое космическое десятилетие. 1957-1967. М.: Наука, 1968,
с. 106-148.
3. Новиков Л.С., Петров Н.Н., Романовский Ю.А. Экологические аспекты космонавтики. М.: Знание,
1986, 64 с.
4. Новиков Л.С. Романовский Ю.А. Антропогенные воздействия на околоземную среду. Инженерная
экология, 1999, № 3, с. 11-21.
5. Муртазов А.К. Экология околоземного космического пространства. М.: Физматлит, 2004, 304 с.
6. Новиков Л.С. Частицы космического мусора в околоземном пространстве и методы их изучения. Ин-
женерная экология, 1999, № 4, с. 10-19.
38 ВВЕДЕНИЕ
7. Новиков Л.С. Высокоскоростные соударения в космосе. М.: Изд-во МГУ, 2003, 72 с.
8. Novikov L.S. Contemporary state of spacecraft/environment interaction research. Radiation Measurements,
1999, v. 30, pp. 661-667.
9. Новиков Л.С. Взаимодействие ракетно-космической техники с окружающей средой: две стороны про-
блемы. Инженерная экология, 1999, № 3, с. 2-10.
10. ГОСТ 25645.103-84. Условия физические космического пространства. Термины и определения. М.: Изд-во
стандартов, 1984.
11. Rees D. CIRA-86. Adv. Space Res., 1988, v. 8, No 5-6.
12. Hedin A.E. Extension of the MSIS thermospheric model into the middle and lower atmosphere. Joum. Geo-
phys. Res., 1991, v. 96, p. 1159.
13. Hickey M.P. The NASA Marshall Engineering Thermosphere Model (MET). NASA CR-179359, USA,
Washington, D.C., 1988.
14. Borde-Renard J.P., Sabbathier G., Drolshagen G. Improved analysis for the computation of spacecraft surface
erosion due to atomic oxygen. In: Proc, of the 6th Int. Symp. on Materials in Space Environment. ESTEC,
Noordwijk, The Netherlands, 1995, Sept. 19-23, pp. 271-276.
15. ГОСТ 25645.116-84. Проникновение космических лучей в магнитосферу Земли. Термины и определе-
ния. М.: Изд-во стандартов, 1984.
16. Bilitza D. International Reference Ionosphere 2000. Radio Science, 2001, v. 36, No 2, pp. 261-275.
17. Новиков Л.С. Физические механизмы радиационной электризации космических аппаратов. Космонав-
тика и ракетостроение, 2003, 1(30), с. 15-24.
18. Новиков Л.С., Панасюк М.И. Исследования космической радиации и ее воздействия на материалы и
оборудование космических аппаратов. Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика радиационного
воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, 2002, вып. 4, с. 3-13.
19. Кузнецов Н.В., Панасюк М.И. Космическая радиация и прогнозирование сбое- и отказоустойчивости
интегральных микросхем в бортовой аппаратуре космических аппаратов. Вопросы атомной науки и тех-
ники, сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, 2001, вып. 1-2, с. 3-8.
20. Panasyuk M.I. Cosmic ray and radiation belt hazards for space missions. In: Space storms and space weather
hazards. Ed. by Daglis I.A. The Netherlands, Kluwer Acad. Publ., 2001, pp. 251-284.
21. Grigoryan O.R., Sheveleva V.N., Novikov L.S., Petrov V.L., Kudela K., Tchurilo I.V. Electron flux forma-
tions at middle latitudes in the surface dose of spacecraft. Joum. of Spacecraft and Rockets, 2006, v. 43, No 3,
pp.530-533.
22. Nymmik R.A. Radiation environment induced by cosmic ray particle fluxes in the International space station
orbit according to recent galactic and solar cosmic ray models. Adv. Space Res., 1998, v. 21, pp. 1689-1698.
23. Roussel J.-F., Rogier F., Lemoine M., Volpert D., Rousseau G., Sookahet G., Seng P., Hilgers A. Design of
new modular spacecraft plasma interaction modeling software (SPIS). Proceedings of 8th Spacecraft Charging
Technology Conference, 20-24 October 2003, Huntsville, Alabama, NASA/CP-2004-213091.
24. http://dev.spis.org/projects/spine/home.
25. Space engineering: Space environment. 2000, ESA ECSS-E-10-04A, 195 p.
26. Войценя B.C., Гужова C.K., Титов В.И. Воздействие низкотемпературной плазмы и электромагнитного
излучения на материалы. М.: Энергоатомиздат, 1991,224 с.
27. Хуторовский З.Н., Каменский С.Ю., Бойков В.Ф., Смелов В.Л. Риск столкновений космических объек-
тов на низких высотах. В сб.: Столкновения в околоземном пространстве (космический мусор). Под
ред. Масевич А.Г. М.: Космоинформ, 1995, с. 19-90.
28. Власов М.Н. Космос и экология. Природа, 1992, № 8, с. 1-11.
29. Novikov L.S. Space radiation effects simulation methods. SINP MSU Preprint - 2003-9/722, 21 p.
30. Нусинов М.Д. Воздействие и моделирование космического вакуума. М.: Машиностроение, 1982, 176 с.
31. Модель космического пространства. Под ред. акад. Вернова С.Н. Т. 2. Моделирование воздействия кос-
мической среды на материалы и оборудование космических летательных аппаратов. М.: НИИЯФ МГУ,
1983,771 с.
32. Ефремов Г.А., Епифановский И.С., Ширяев А.В., Заболотный В.Т., Милеев В.Н., Новиков Л.С. Новые
материалы для локальной радиационной защиты. Физика и химия обработки материалов, 2003, № 1,
с. 33-37.
1
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
ГЛАВА 1.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ
СОБСТВЕННОЙ ВНЕШНЕЙ АТМОСФЕРЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ПОВЕРХНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Надирадзе А.Б.1, Шапошников В.В.1;
Хартов В.В.2, Максимов И.А.2, Иванов В.В.2, Смирнов В.А.2
1 Московский авиационный институт (государственный технический университет)
2 НПО Прикладной механики
Список сокращений
КА космический аппарат
ЛКВ летучие конденсирующиеся вещества
ОПМ общая потеря массы
ПМС плотность молекулярного столба
СВА собственная внешняя атмосфера
УФ ультрафиолетовое излучение
ЭРД электроракетный двигатель
ВВЕДЕНИЕ
Функционирование космических аппаратов (КА) происходит в газовой среде,
формирующейся за счет процессов газовыделения и сублимации материалов, нахо-
дящихся на поверхности аппаратов, утечки газов из внутренних отсеков и работы
различного оборудования КА [1]. Структура и динамика этой среды, называемой
собственной внешней атмосферой (СВА) аппарата, зависят как от особенностей кон-
струкции и работы бортовых систем КА, так и от множества внешних факторов кос-
мического полета - солнечного излучения, электромагнитных полей, потоков за-
40 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
ряженных частиц и т. п. Относительно новым фактором, оказывающим влияние на
формирование СВА, является работа электроракетных двигателей (ЭРД), которые
могут создавать дополнительные потоки частиц, образующихся при распыле-
нии внешних поверхностей КА плазменными струями этих двигателей (подробнее
см. гл. 2.3).
Задача определения параметров СВА и ее влияния на работу КА является весьма
актуальной при создании современных КА с длительными сроками активного суще-
ствования. Трудности решения этой задачи связаны с многообразием физических
явлений и процессов, происходящих в СВА. К таким процессам относятся само-
рассеяние частиц СВА и их рассеяние на частицах набегающего потока, отражение
частиц от поверхности КА, адсорбционно-десорбционные и гетерогенные процессы
на поверхности, процессы распыления поверхности и рассеяния распыленных час-
тиц, процессы фотоионизации и ионизации быстрыми частицами, а также перезаряд-
ка на частицах окружающей плазмы и частицах струй ЭРД.
Теоретические и экспериментальные исследования процессов формирования СВА
и ее воздействия на КА ведутся уже более 30 лет. За это время был создан мощный
математический аппарат, позволяющий моделировать многие физико-химические
процессы, протекающие в СВА. Однако практическое использование созданных мо-
делей даже при современном уровне знаний ограничено отсутствием достаточно
точных и полных исходных данных для проведения полномасштабных расчетов. В
первую очередь необходимо иметь более обширную информацию по газовыделению
конструкционных материалов. Обычно материалы, используемые на КА, характери-
зуются всего двумя параметрами: общей потерей массы (ОПМ) и содержанием лету-
чих конденсирующихся веществ (ЛКВ). В некоторых случаях имеются сведения о
содержании влаги. Данные по динамике газовыделения, как правило, отсутствуют
или имеются для небольшого числа материалов, используемых на КА. Большую не-
определенность в оценку параметров СВА вносят предыстория материалов (предва-
рительная обработка, условия транспортировки КА на место старта и т. п.) и особен-
ности их эксплуатации в составе КА (воздействие солнечного излучения и потоков
заряженных частиц, температурный режим и т. п.). Все эти факторы либо трудно
контролируемы, либо вообще не могут быть проконтролированы. Кроме того, на КА
имеется множество других источников массовыделения (электронные блоки, кабели,
нагреватели, газовые или жидкостные системы, различного рода двигатели, прибор-
ные отсеки негерметичного исполнения и т. п.), которые также оказывают сущест-
венное влияние на процессы формирования СВА, ее структуру и динамику.
Влияние СВА на функционирование КА происходит за счет загрязнения поверх-
ности осаждающимися на нее продуктами СВА, увеличения вероятности возникно-
вения электрических разрядов на КА при повышении давления в его окрестности и
появления дополнительного светового фона в результате рассеяния солнечного света
на частицах СВА. В этой главе основное внимание будет уделено анализу загрязне-
ния поверхности КА, которое может значительно ухудшать характеристики оптиче-
ских приборов, солнечных батарей, терморегулирующих покрытий и т. п.
Проблема моделирования процессов загрязнения внешних поверхностей КА в на-
стоящее время состоит не столько в детальном исследовании и математическом опи-
сании физических процессов формирования СВА, сколько в получении необходимой
ГЛАВА 1.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВА...
41
для расчетов информации и выборе расчетной модели, обеспечивающей максималь-
ную точность при имеющемся объеме исходных данных. Недостаток исходных дан-
ных и необходимость систематизации имеющейся информации привели к тому, что в
последние годы в России и за рубежом развернуты многоплановые исследования по
кинетике массовыделения конструкционных материалов КА. Уже созданы матема-
тические модели, позволяющие определять потоки массовыделения в любой момент
времени в зависимости от температуры, предыстории материалов и внешних фак-
торов. Однако и здесь возникает проблема исходных данных, поскольку для опреде-
ления параметров созданных моделей требуется проведение большого объема тонких
и дорогостоящих экспериментов.
В свою очередь, практическое использование сложных математических моделей
СВА, учитывающих кинетику массовыделения материалов, физико-химические про-
цессы на поверхности, процессы взаимодействия нейтральных и заряженных частиц
СВА между собой и с частицами набегающего потока, встречает значительные труд-
ности. Поэтому разработчики КА ограничиваются, как правило, использованием
сильно упрощенных моделей, а еще чаще - подсчетом бюджета массы конденси-
рующихся веществ или введением ограничений на параметры ОПМ и ЛКВ конст-
рукционных материалов.
В целом, проблема прогнозирования загрязнения КА компонентами СВА и про-
дуктами распыления предполагает решение следующих задач:
• создание инженерной методики расчета параметров СВА и уровней загрязне-
ния, позволяющей проводить все необходимые вычисления с максимально
возможной точностью при различной степени неопределенности исходных
данных, а также позволяющей производить уточнение результатов расчета пу-
тем проведения дополнительных расчетов или экспериментального определе-
ния необходимых параметров;
• разработка экспериментальной и методической базы для определения парамет-
ров массовыделения конструкционных материалов и бортовой аппаратуры;
• создание исследовательских моделей процессов формирования СВА и загряз-
нения внешних поверхностей КА компонентами СВА и продуктами распы-
ления.
Первая из перечисленных задач вытекает из чисто практической направленности
проблемы. Для разработчика КА вопросы загрязняющего воздействия СВА могут
быть сформулированы следующим образом.
1. Будет ли превышен предельный уровень загрязнения той или иной функцио-
нальной поверхности КА при данном наборе источников массовыделения и конст-
рукции аппарата?
2. Какие материалы (или аппаратура) вносят основной вклад в загрязнение той
или иной функциональной поверхности?
3. Насколько нужно снизить интенсивность источника(-ов) массовыделения для
обеспечения установленных требований по чистоте КА?
Ответы на эти вопросы позволят разработчику принять обоснованные решения о
возможности применения тех или иных материалов в составе КА и необходимости их
предварительной обработки. Для получения ответов на перечисленные вопросы ин-
женерная методика расчета должна позволять определять вклад каждого источника
42
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
массы в общее загрязнение элементов КА. При этом она должна учитывать все ос-
новные процессы формирования СВА и позволять уточнять результаты расчета при
наличии дополнительной информации.
Вторая задача является необходимым звеном системы прогнозирования, по-
скольку осуществляет информационное обеспечение расчетных работ. Объем не-
обходимой информации и набор измеряемых параметров определяются требуемой
точностью расчетов.
Решение третьей задачи также направлено на уточнение результатов расчетов,
полученных с помощью инженерной методики. Например, если выяснится, что про-
гнозируемый уровень загрязнения КА превышает критический, то разработчик мо-
жет предпринять следующие действия:
• изменить конструкцию КА или провести дополнительную термообработку ма-
териалов с целью снижения общего уровня загрязнений;
• уточнить экспериментальные данные по кинетике массовыделения конструк-
ционных материалов и аппаратуры (возможно, это приведет к исключению
критической ситуации);
• уточнить результаты расчета с привлечением более строгих моделей.
Изложенная концепция системы прогнозирования загрязнения внешних поверх-
ностей КА компонентами СВА и продуктами распыления была разработана в МАИ
и апробирована в НПО Прикладной механики при проведении работ по созданию
КА «Экспресс-АМ».
Далее будут рассмотрены основные физические процессы, оказывающие влия-
ние на формирование СВА и образование пленок загрязнения, модели источников
массы и процессов массопереноса, а также инженерная методика расчета уровней
загрязнения внешних поверхностей КА продуктами собственного массовыделения
элементов КА (конструкционных материалов и оборудования) и продуктами рас-
пыления, образующимися при взаимодействии плазменных струй ЭРД с элемента-
ми конструкции КА.
1.1.1. Физические процессы формирования собственной внешней атмосферы
и образования пленок загрязнения на поверхности КА
Основными физическими процессами, определяющими структуру и свойства
СВА, являются процессы массовыделения и массопереноса. Это нестационарные
процессы, динамика которых в значительной степени зависит от внешних усло-
вий, текущего состояния и предыстории системы. Некоторые физические эффек-
ты, оказывающие влияние на процессы формирования СВА, являются комплекс-
ными и имеют пороговый характер.
1.1.1.1. Процессы массовыделения
Наиболее характерным для большинства КА является массовыделение конст-
рукционных материалов, обусловленное процессами десорбции частиц с поверхно-
сти и процессами испарения летучих веществ из органических материалов. Ско-
рость массовыделения (газовыделения) зависит от времени пребывания на орбите t
ГЛАВА 1.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВА...
43
и температуры поверхности Т. Ввиду отсутствия точных данных об этой зависи-
мости, для описания кинетики газовыделения обычно используют различные ап-
проксимационные формулы. Наиболее широко используется формула вида:
t Е
g(7",Z) = g0 ехр(-—)ехр(—-£), (1.1.1)
т0 кТ
где g - скорость газовыделения материала в момент времени t при температуре Т\
go - интенсивность газовыделения в начальный момент времени; Еа - энергия ак-
тивации процесса; т0 - постоянная времени процесса газовыделения.
Стандартными параметрами, характеризующими массовыделение материалов,
являются уже упоминавшиеся ОПМ и содержание ЛКВ. Для определения этих па-
раметров в настоящее время разработаны достаточно простые и эффективные ме-
тодики, позволяющие получать необходимые данные практически для всех мате-
риалов, используемых на КА. Значительный вклад в массовыделение вносят струи
двигателей коррекции и стабилизации, утечки из топливных магистралей и систе-
мы терморегулирования. Как правило, потоки массы от этих устройств описывают-
ся моделью точечного источника. Например, для описания струй химических дви-
гателей малой тяги широко используется модель Симонса [2], которая позволяет
учесть образование двойного слоя в сопле. Более корректное решение в ядре струи
дает модель Бондарева-Бургасова [3]. Утечки разного рода описываются моделью
сферического источника или моделью точечного источника с косинусным законом
рассеяния. Следует отметить, что при работе двигателей на борту КА могут наблю-
даться значительные колебания плотности СВА, обусловленные не только появле-
нием дополнительного источника массы, но и повышением интенсивности десорб-
ционных процессов, вызванной нагревом поверхности КА.
Дополнительным источником массовыделения при работе плазменных ЭРД
является распыление внешних поверхностей КА. Поток покидающих поверхность
частиц определяется коэффициентом распыления, углом падения и энергией
ионов плазменной струи. Угловое распределение частиц является сложной функци-
ей полярного и азимутального углов их вылета [4]. Сами ЭРД также являются ис-
точниками частиц, причем в струях ЭРД присутствуют как первичные ионы, так
и вторичные частицы. Подробное описание параметров этих частиц приведено в
гл. 2.3.
Весьма специфическим является массовыделение, вызванное ударами твердых
пылевых частиц при движении КА, например, в пылевых облаках комет. Одна из
наиболее подробных моделей, описывающих данный механизм массовыделения,
приведена в [5].
1.1.1.2. Процессы массоперепоса
Принято выделять следующие основные механизмы массопереноса в СВА:
• прямой массоперенос от источников;
• вторичный массоперенос при отражении частиц от поверхности КА;
• рассеяние частиц при их столкновениях между собой и с частицами набегаю-
щего потока.
44
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Прямой массоперенос осуществляет непосредственный транспорт частиц от ис-
точников массовыделения к критическим поверхностям КА. В процессе прямого
массопереноса часть первичных частиц может рассеиваться на частицах СВА и от-
клоняться от прямолинейной траектории. Однако в большинстве случаев концентра-
ция частиц СВА такова (менее 108-109 см-3), что на расстояниях, характерных для
современных КА (10-20 м), столкновения между частицами происходят крайне ред-
ко (вероятность столкновений меньше 10"3), и их можно не учитывать в процессе
прямого массопереноса.
Массоперенос за счет отражения от поверхности КА значительно сложнее,
поскольку на него большое влияние оказывает время жизни частиц на отражающих
поверхностях. В зависимости от типа связи, температуры поверхности и внешних
условий время жизни частиц может изменяться в очень широких пределах. Поэтому
корректное описание процесса массопереноса отраженных частиц требует использо-
вания сложных математических моделей и большого объема исходных данных.
Рассеяние первичных частиц происходит при их столкновениях с частицами
СВА, струями двигателей и частицами набегающего потока. В результате рассея-
ния некоторая доля частиц может возвращаться на поверхность КА, образуя так
называемые «возвратные потоки». Динамика процессов рассеяния определяется
свойствами первичных частиц, концентрацией частиц СВА, их составом и физиче-
ским состоянием.
1.1.1.3. Процессы осаждения частиц на поверхность
Процессы осаждения частиц СВА на поверхность КА достаточно сложны, их ин-
тенсивность определяется множеством факторов. Во многих случаях могут наблю-
даться нелинейные и пороговые эффекты при воздействии того или иного фактора.
Часто процессы осаждения являются нестационарными и зависят от предыстории
системы «СВА-поверхность».
К наиболее значимым факторам, определяющим скорость образования пленки за-
грязнения на поверхности, относят температуру поверхности, плотность потока час-
тиц осаждения, наличие и состояние адсорбционного слоя, химические реакции на
поверхности, воздействие солнечного ультрафиолетового (УФ) излучения и бомбар-
дировку поверхности заряженными частицами космического излучения.
В большинстве случаев учет многих из указанных выше факторов оказывается
невозможным, поэтому на практике используют упрощенные методики оценки за-
грязнений, в которых доля частиц, захваченных поверхностью, характеризуется ко-
эффициентом прилипания а, зависящим от температуры поверхности Т. Этот коэф-
фициент несет информацию о составе и функции распределения частиц в потоке и
базируется на предположении о том, что время жизни захваченных частиц значи-
тельно больше времени наблюдения. В простейшем случае однокомпонентного газа
температурная зависимость а(7) имеет вид, представленный на рис. 1.1.1.
Учитывая относительно небольшую ширину наклонного участка этой зависи-
мости, на практике часто ограничиваются определением температуры захвата Тс. При
этом считают, что захват частиц поверхностью происходит только при Т < Тс, а при
Т> Тс а = 0. Для многокомпонентных смесей вид зависимости а(7) сложнее и, как
ГЛАВАМ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВА...
45
правило, неизвестен. В этих случаях для рас-
чета загрязнения поверхности задают содер-
жание ЛКВ в потоке частиц, падающих на
поверхность. Коэффициент прилипания час-
тиц ЛКВ принимается равным единице неза-
висимо от температуры поверхности.
Сильное влияние на образование пленок
загрязнений может оказывать интенсивность
потока падающих на поверхность частиц.
Природа этого эффекта заключается в том,
что время жизни частицы на поверхности
резко возрастает при появлении на поверх-
ности пленки конденсата. Если поток частиц
ниже некоторого предела при заданной тем-
Рис. 1.1.1. Температурная зависимость
коэффициента прилипания а
для однокомпонентного газа
пературе, то частицы успевают покинуть
поверхность до образования конденсата. Когда поток частиц превысит критическое
значение, на поверхности начинается рост пленки конденсата, и коэффициент при-
липания увеличивается. Этот вопрос рассмотрен в [6, 7]. В работе [8] исследованы
условия конденсации пленок цезия на реальных поверхностях КА.
Влияние УФ-излучения на процесс осаждения исследовано в работах [9, 10].
Как правило, наличие УФ приводит к увеличению коэффициента прилипания,
что объясняется образованием химической связи с поверхностью. Эта связь на-
столько прочная, что даже при повышении температуры частицы остаются на по-
верхности.
1.1.2. Моделирование процессов загрязнения поверхности КА
При построении модели загрязнения предъявляются требования адекватного
описания физических процессов и получения достоверных данных об уровнях за-
грязнения поверхности. Создание модели, отвечающей обоим требованиям в рав-
ной степени, представляется весьма сложным. Обычно отдельно строят исследова-
тельские модели, ориентированные в большей степени на изучение физических
процессов, и инженерные модели, позволяющие получать достоверную информа-
цию о загрязнении поверхности КА в различных условиях.
Даже в относительно простой постановке задачи определения параметров СВА и
уровня загрязнений КА ее решение является очень трудоемким и требует привле-
чения значительных вычислительных ресурсов. Поэтому при построении модели
загрязнений ищется компромисс, отвечающий требованиям к обоснованности полу-
чаемых результатов и требованиям по ограничению используемых ресурсов. Поиск
такого компромисса ведется от наиболее общей постановки задачи путем введения
упрощающих допущений, которые позволяют сократить время расчета при обеспе-
чении достоверной оценки максимального уровня загрязнений. Упрощающие допу-
щения вводятся и для компенсации неопределенности в исходных данных (например,
по динамическим характеристикам массэвыделения).
46
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Ниже рассматривается построенная с учетом этих соображений замкнутая модель
СВА, позволяющая получить гарантированную оценку уровня загрязнения критиче-
ских поверхностей КА при существующей неопределенности исходных данных и
ограниченных ресурсах вычислительных систем.
1.1.2.1. Источники массы
Как отмечалось выше, одним из основных процессов, формирующих СВА, явля-
ется массовыделение конструкционных материалов, двигателей и ряда других систем
КА. Все эти элементы объединяются единым термином - «источники массы». Ори-
ентируясь на создание расчетных методик, можно выделить два класса источников
массы: локальные (точечные) и распределенные.
К локальным относятся все источники массы, излучающие частицы из одной точ-
ки (двигатели, утечки из клапанов, дренажных систем и т. п.), к распределенным -
излучающие поверхности (поверхности неметаллических конструкционных матери-
алов, электронные блоки и т. п.). В свою очередь, распределенные источники массы
могут быть разделены на два подкласса - с равномерным и неравномерным массо-
выделением. Большинство конструкционных материалов можно отнести к распреде-
ленным источникам с равномерным массовыделением. Распыляемые поверхности
или частично нагретые (например, частично освещенные Солнцем) поверхности сле-
дует рассматривать как источники с неравномерным массовыделением. По измене-
нию массовыделения во времени источники можно разделить на стационарные и не-
стационарные, дискретные и непрерывные.
В настоящее время существует большое количество моделей, описывающих рас-
пределенные и локальные источники массы. Однако использование этих моделей при
анализе СВА существенно осложняется их неоднородностью. В связи с этим воз-
никает необходимость применения некоторой обобщенной модели, позволяющей с
достаточной точностью описать все возможные источники массы.
В качестве такой модели может быть использована модель точечного источника
с переменной по углу интенсивностью:
nv(r) = J0/(r)-L-, (1.1.2)
lrl
где JQ - интенсивность источника; г - радиус-вектор, соединяющий источник и
выбранную точку пространства; /(г) - угловая функция источника, такая, что
где £ означает интегрирование по сфере, окружающей источник.
Как можно видеть из (1.1.2), основной характеристикой источника является его
угловая функция. Для простейшего сферического источника /(г) = 1/4тс. Более слож-
ная модель возникает при диффузном рассеянии: /(г) = (Р + 1) cosp0/2 тс, где р - па-
раметр распределения, 0 - угол между линией тока и осью источника (0 е [0, тс/2]).
Еще более сложный вид имеют угловые функции частиц распыления:
/(г) =/*(<р, v|/)/2tc, где ср, \|/ - полярный и азимутальный углы вылета частицы, задан-
ные в системе координат источника. В качестве /*(ср, у) могут быть использованы
функции распыления, рассмотренные в работах [4, 11].
ГЛАВА 1.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВА...
47
Реальные источники могут содержать множество фракций. Фракции образуют-
ся частицами одного типа (например, одинаковыми химическими элементами) или
частицами, обладающими близкими свойствами (например, одинаковой энергией).
В общем случае каждая фракция может иметь собственную угловую функцию У(г)-
Для моделирования многофракционных источников также можно использовать соот-
ношение (1.1.2).
Распределенные источники массы (в том числе с неравномерным массовыделени-
ем) моделируются множеством точечных источников (1.1.2), размещенных с требуе-
мой плотностью на излучающей поверхности. В частности, при стандартном разбие-
нии излучающей поверхности на множество конечных элементов (треугольной или
четырехугольной формы) в качестве источников массы рассматриваются отдельные
конечные элементы. Центр каждого источника помещается в центр конечного эле-
мента, главная ось источника ориентируется по нормали к поверхности элемента, а
две другие оси (при необходимости) задаются в плоскости элемента и ориентируются
по направлению максимума излучения или каким-либо другим способом, характер-
ным для данного типа источника.
Нестационарность источников может учитываться введением множества значе-
ний Л и У(г) для различных моментов времени t и использованием интерполяции
(линейной или более сложной) для определения потоков в промежуточные моменты
времени.
Таким образом, (1.1.2) можно рассматривать в качестве универсальной модели
элементарного (здесь просматривается аналогия с методом конечных элементов) то-
чечного источника, позволяющего описывать практически все источники массы,
имеющиеся на КА.
1.1.2.2. Прямые потоки массы
Схема расчета прямых потоков массы представлена на рис. 1.1.2. В большинстве
случаев для расчета можно принять модель бесстолкновительного прямолинейного
движения частиц. Уменьшением плотности потока за счет рассеяния десорбируемых
частиц на частицах набегающего потока и частицах СВА пренебрегаем. В этих пред-
положениях для потока частиц будет получена оценка сверху, гарантирующая кор-
ректную оценку уровня загрязнения поверх-
ности КА.
Величина потока частиц от у-го источника
массы на к-ю элементарную площадку вычисля-
ется с учетом функции интенсивности источника
и проницаемости элементов конструкции спут-
ника, находящихся на линии потока:
cos 0
(1.1.3)
1гм|
где rJtk - радиус-вектор, соединяющий у-й источ-
ник массы и к-ю точку приема; Sh(f) - функция
проницаемости элементов поверхности:
Рис. 1.1.2. Схема расчета прямых
потоков массы
48 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
sh (г) = П%/ («•/.*)> а-1.4)
/
где - проницаемость /-ой поверхности в точке ее пересечения с траекторией час-
тицы (здесь задается проницаемость по прямой в заданном направлении).
1.1.2.3. Отраженные потоки
Схема образования отраженных потоков массы представлена на рис. 1.1.3. В пол
ной постановке задачи расчет отраженных потоков требует учета многократных от
ражений и, соответственно, многократно-
го интегрирования по всей поверхности
КА (вычисления интеграла Фредгольма
[12]). Использование аналитических ме-
тодов в данном случае является неэффек-
тивным, поскольку только небольшая
часть поверхности спутника участвует в
процессах отражения. Методы прямого
статистического моделирования здесь
тоже малоэффективны, поскольку веро-
ятность попадания пробной частицы на
контролируемую поверхность крайне ма-
ла, и для получения достаточно точных
результатов требуется проведение неоп-
равданно большого количества статисти-
ческих испытаний.
Рис. 1.1.3. Схема расчета отраженных
потоков массы
Для решения данной проблемы в [13] был предложен и разработан комбиниро-
ванный метод расчета, использующий преимущества аналитических методов и ме-
тода пробной частицы Монте-Карло [14]. Идея данного метода заключается в сле-
дующем. Из каждого источника массы выпускаются пробные частицы в
соответствии с его угловой функцией. Отслеживаются траектории частиц до выхо-
да их из системы или до выполнения некоторого критерия прекращения вычисли-
тельного процесса (например, достижения заданного числа столкновений частицы с
поверхностью или уменьшения потока отраженных частиц до заданного уровня).
Величина потока отраженных частиц (вдоль траектории пробной частицы), излу-
чаемых у-м источником и попадающих на к-ю элементарную площадку, вычисляет-
ся по формулам:
nvrj.k = Е («7,* Ж (r/,* ) >
)5а (г/-и ) RAS, > если i > О,
1г-м|
Л,7/7(г7,/)5'л(гр)гПТ7г<л5/> если ‘ = °>
(1.1.5)
(1.1.6)
ГЛАВА 1.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВА...
49
где Jr>i - интенсивность отраженного потока частиц; R, - коэффициент отражения;
Л/(г) - угловая функция отраженных частиц; AS, - площадь /-ой элементарной пло-
щадки, с которой произошло столкновение пробной частицы.
Для определения полного потока отраженных частиц, попадающих на к-ю эле-
ментарную площадку оту-го источника массы, необходимо просуммировать все эле-
ментарные потоки, вычисленные по отдельной траектории с учетом их весов
У< = Л’‘(Г/-,о):
nvr.j.k nvrj,k- (11.7)
t
Таким образом производится суммирование отраженных потоков от каждой точ-
ки пересечения траектории частицы с поверхностью КА. При этом достигается высо-
кая эффективность (за счет исключения из рассмотрения точек, не участвующих в
процессе отражения) и точность (за счет аналитического вычисления потоков) рас-
смотренного метода.
Для частично проницаемых поверхностей происходит расщепление потока
на отраженную и преломленную компоненты по аналогии с геометрической оптикой.
При этом для каждой компоненты потока может быть задана своя угловая функция.
Расчет преломленных потоков производится по формулам, аналогичным (1.1.6).
С физической точки зрения коэффициенты отражения и проникания связаны с со-
стоянием поверхности и ее температурой. Однако учет этих факторов на практике
бывает затруднен из-за отсутствия необходимой информации. В течение длительного
времени существования КА (5-10 лет) вероятность того, что частица покинет по-
верхность, достаточно велика. Поэтому для получения верхних оценок уровня за-
грязнения можно ограничиться моделью полного отражения. При наличии дополни-
тельной информации о коэффициентах отражения (или прилипания) расчет может
быть уточнен.
1.1.2.4. Возвратные потоки массы
Возвратные потоки массы образуются в результате взаимодействия частиц СВА
между собой и с частицами набегающего потока (рис. 1.1.4). Для определения вели-
чины возвратных потоков даже в простей-
шей постановке задачи (без учета функции
распределения частиц) необходимо вычис-
лить пятикратный интеграл, а в наиболее
полной - одиннадцатикратный [15]. Оче-
видно, что решать столь трудоемкую задачу
имеет смысл только в исследовательских
целях. Для практических применений ис-
пользование такого подхода вряд ли будет
обоснованным и эффективным.
Для снижения размерности задачи
обычно применяют так называемую модель
первых столкновений [16]. В этой модели
принято, что возвратные потоки частиц
Рис. 1.1.4. Схема расчета возвратных
потоков массы
50
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
возникают в результате однократных столкновений. Вероятность возврата части-
цы после второго, третьего и последующих столкновений считается пренебре-
жимо малой. В этом случае поток частиц, попадающих на к-ю элементарную пло-
щадку от у-го источника массы, вычисляется путем суммирования потоков от всех
элементарных объемов (ячеек сетки), которые пересекает траектория пробной час-
тицы:
Z А;./А;./(•),*) 5а(г/,*)
COS0C
Ы2 ’
(1.1.8)
где JVj/~ интенсивность рассеяния частиц от у-го источника массы на частицах сор-
та/; - функция рассеяния частиц, определяющая интенсивность потока из /-го
элемента объема к &-ой элементарной площадке.
Интенсивность рассеяния в наиболее общем виде вычисляется как
(1.1.9)
где Ир, ир, gyp- концентрации и относительная скорость частиц, соответственно; о,/-
сечение столкновений частиц от у-го источника с частицами сорта /
Для построения функции рассеяния могут быть использованы различные модели
от простейших до весьма сложных, учитывающих потенциал взаимодействия, вра-
щательный и колебательный энергообмен между молекулами газа [17]. Однако в
большинстве случаев сложность используемых моделей ограничивается отсутствием
информации о составе, физических свойствах, состоянии и характеристиках взаимо-
действия сталкивающихся частиц. Поэтому в качестве /у/r) обычно используют
модель рассеяния упругих сфер. Согласно этой модели функция рассеяния может
быть записана в виде:
А;./ (г) = (± 2/, COS у + (1 + Г,2 cos 2у)) (1 - /,2 sin2 у )’1/2, I = j,f (1.1.10)
от,(от +wz) IvJ
где =------------— -г--г; у- угол между вектором скорости частицы после столк-
mjmf |VA/|
новения и вектором скорости центра масс:
Vc=(V,.+nVz)/(l + P), Ц = -А (1.1.11)
где V/, V/ - векторы скорости частиц до (или после) соударения в связанной системе
координат спутника.
Выбор функции рассеяния в форме (1.1.10) позволяет получить в рамках отно-
сительно простой и легко реализуемой на ЭВМ модели первых столкновений ре-
зультаты, согласующиеся с результатами, полученными более точными методами
(например, методом Берда [12] или Бхатанагара-Гросса-Крука (БГК) [18]). В то же
время, использование сечения (1.1.10) может привести к недопустимому увеличе-
нию времени отклика модели. Кроме того, при решении реальных задач использо-
вание (1.1.10) может оказаться необоснованным из-за неопределенности состава и
свойств продуктов массовыделения. В связи с этим, для сокращения времени вы-
ГЛАВА 1.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВА...
51
числений и повышения обоснованности результатов следует перейти от дифферен-
цированного рассмотрения потоков частиц, излучаемых элементарными источни-
ками массы, к усредненным параметрам частиц в ячейках сетки.
Для этого все частицы СВА делятся на два класса - изотропный фон Т и анизо-
тропные потоки Ф. Частицы изотропного фона образуются частицами собственного
массовыделения и продуктами распыления внешних поверхностей КА. Эти частицы
имеют тепловые скорости и движутся преимущественно от поверхности КА. Концен-
трация частиц фонового газа вычисляется как сумма концентраций всех «тепло-
вых» компонент, попадающих в данную точку пространства:
= £>,,- о-1-12)
je'V
Состав фонового газа во всех точках пространства считается постоянным, а его
свойства характеризуются единственным параметром - средним газокинетическим
радиусом В качестве этого параметра может быть использовано среднее значе-
ние радиуса частиц, вычисленное по всем компонентам.
Анизотропные потоки частиц образуют частицы набегающего потока, струй
двигательных установок и других источников направленных потоков частиц,
имеющих скорости существенно выше тепловых.
При таком делении возникает следующие характерные типы взаимодействия:
• саморассеяние частиц фонового газа;
• рассеяние частиц струи на частицах фонового газа;
• рассеяние частиц одной струи на частицах другой;
• саморассеяние частиц струи.
В первом случае используется простейшая модель изотропного рассеяния:
(1-1.13)
4л
Во втором случае предполагается, что частицы фонового газа покоятся в систе-
ме координат КА. Тогда функция рассеяния принимает вид:
(О = ~C0SY- (1.1.14)
71
Для описания рассеяния частиц одной струи на частицах другой (случай 3) про-
цесс рассеяния рассматривается в движущейся системе координат одной из струй.
Это также приводит к функции рассеяния (1.1.14). Саморассеяние частиц струи
описывается аналогично первому случаю, но в терминах поперечного сечения рас-
сеяния [19].
Таким образом, соотношения (1.1.8)-(1.1.14) позволяют вычислять возвратные
потоки частиц, образующиеся в результате процессов рассеяния на частицах фо-
нового газа, частицах струй и набегающего потока. При использовании этих соот-
ношений может возникать неопределенность в величинах сечений упругих столк-
новений. Но поскольку при расчетах уровня загрязнений можно ограничиться
получением верхней оценки возвратных потоков, в качестве сечения столкновений
достаточно взять максимальное значение на множестве известных (или возможных)
значений.
52 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.1.2.5. Концентрация частиц СВА
Необходимость определения концентрации частиц СВА возникает при расчетах
возвратных потоков, а также при решении ряда прикладных задач, например - оп-
ределении плотности молекулярного столба в заданном направлении.
В соответствии с принятой выше моделью элементарных источников массы, кон-
центрация частиц в произвольной точке пространства вычисляется как:
к "к
где Vk~ модуль средней скорости частицы; к- индекс источника.
При количестве источников 105-106 и количестве ячеек сетки 104-105 для вычис-
ления поля концентрации требуется более 109-10и операций. Даже на современных
персональных компьютерах с тактовой частотой 2-3 ГГц выполнение этих вычисле-
ний оказывается слишком длительным. В связи с этим наиболее эффективным мето-
дом расчета концентрации частиц СВА в окрестности КА является метод пробных
частиц Монте-Карло, суть которого заключается в том, что из каждого элементарно-
го источника выпускается N пробных частиц (треков) и их траектории отслеживают-
ся до выхода из системы. Поскольку число пробных частиц существенно меньше
фактического количества частиц, эмитируемых источником, вводится понятие ин-
тенсивности трека Ik = JkIN. При пересечении траекторией частицы ячейки сетки
значение концентрации частиц в ячейке увеличивается на величину:
Ди = —, (1.1.16)
где Fcen - мидель ячейки в направлении движения частицы.
После проведения N испытаний в каждой ячейке сетки будет определена концен-
трация частиц всех сортов, включая концентрацию частиц фонового газа. Таким об-
разом, соотношения (1.1.15), (1.1.16) показывают, что принципиальных трудностей
для расчета концентрации частиц СВА не возникает. Однако на практике получение
гарантированной оценки концентрации частиц СВА является весьма проблематич-
ным, поскольку имеется большая неопределенность в определении параметров ис-
точников массовыделения.
1.1.2.6. Плотность молекулярного столба
Для ряда оптических приборов может оказаться важной величина паразитной за-
светки, возникающей в результате рассеяния солнечного света на частицах СВА. Для
определения величины засветки необходимо знать количество частиц, попадающих в
поле зрения прибора. Поскольку для большинства таких приборов угол зрения мал,
то в расчетах используется количество частиц в цилиндрическом полубесконечном
объеме единичной площади. Эта величина, называемая плотностью молекулярного
столба (ПМС), вычисляется по формуле:
ПМС=|п(г)<Я, (1.1.17)
где 1 - направление визирования.
ГЛАВА 1.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВА...
53
Очевидно, что для вычисления ПМС эффективнее использовать прямое числен-
ное интегрирование по формуле (1.1.15). При этом расчетная сетка строится таким
образом, что центры ячеек лежат на векторе 1, а их границы определяются цилин-
дром, диаметр которого соответствует размеру ячейки сетки.
1.1.3. Комбинированная методика оценки уровня загрязнения внешних
поверхностей КА
К методике расчета уровней загрязнения предъявляются два противоречивых тре-
бования. С одной стороны, эта методика должна иметь максимально возможную точ-
ность, а с другой - она должна быть достаточно простой для использования. Первое
требование может быть выполнено только за счет применения сложных физических
и математических моделей. Второе выполняется за счет упрощения задачи и, соот-
ветственно, снижения точности.
В МАИ совместно с НПО Прикладной механики была разработана и опробована
применительно к анализу уровней загрязнения КА «Экспресс-AM» и ряда других КА
комбинированная методика прогнозирования уровней загрязнения, сочетающая в
себе точность сложных численных моделей и простоту инженерных методов.
В основе данной методики лежит простейшая модель массопереноса, записанная
в виде:
Ч = Z т1 &k.j + Р*,у + ¥*.,)> (1.1.18)
j
где тк+ - полная масса осажденного вещества на Zr-ой контрольной площадке за все
время пребывания КА в космосе; т~ - полное массоотделение конденсирующихся
веществ от j-го источника массы; а^-, Р^- и ykJ - коэффициенты переноса массы, по-
казывающие, какая доля вещества, выделившегося из j-го источника, достигнет Zr-ой
контрольной площадки посредством прямого массопереноса, отражения и рассеяния
частиц соответственно.
Легко убедиться, что коэффициент akj зависит только от геометрии КА, взаим-
ного положения источника и приемника массы и от угловой функции источника.
Информации об интенсивности источника для расчета akJ не требуется. В качестве
т[ для конструкционных материалов может быть использован интегральный пара-
метр, характеризующий содержание ЛКВ в материале. Применительно к источникам
других типов может быть использован эквивалентный параметр (например, масса
утечек рабочего тела химических двигателей, износ изолятора разрядной камеры
ЭРД и т. п.).
Коэффициент рАгу, помимо указанных для а^- параметров, зависит от коэффици-
ента отражения частиц от поверхности R, и угловой функции отраженных частиц
Поскольку корректный расчет этих коэффициентов практически невозможен,
принимается допущение о диффузном законе отражения и полном отражении частиц
от поверхности (7?,= 1). Данное допущение позволяет существенно упростить задачу
и получить верхнюю оценку отраженных потоков. Если окажется, что загрязнение
отраженными частицами превышает допустимый уровень, имеется возможность от-
54 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
следить траектории частиц и скорректировать полученный результат без пересчета
коэффициентов р^-.
Расчет коэффициента у^- наиболее сложен и требует привлечения информации о
концентрации частиц СВА в каждой ячейке сетки. Чтобы получить эту информацию,
необходимо произвести интегрирование по всем источникам массы с учетом их ин-
тенсивности. В свою очередь, определение интенсивности источников требует учета
времени, температуры, предыстории системы и других факторов. Однако на практике
для большинства материалов известны только интегральные параметры массовыде-
ления, например, величина ОПМ. Поэтому корректный расчет интенсивности источ-
ников в большинстве случаев оказывается невозможен.
Для решения этой проблемы предлагается использовать информацию о среднем
давлении частиц СВА в окрестности КА и динамике изменения этого давления. Как
показывает анализ литературных данных, для многих КА эти параметры относи-
тельно стабильны и могут быть распространены на другие КА. При использовании
этих данных расчет концентрации производится следующим образом.
Интенсивность массовыделения конструкционных материалов оценивается по
формуле:
где Tk - постоянная времени массовыделения.
Для многих материалов величина может быть измерена с достаточно большой
точностью. Но если тд. неизвестна, она может быть принята равной постоянной вре-
мени снижения давления в окрестности объекта т5.
При вычисленной по (1.1.19) интенсивности источников производится расчет по-
ля концентрации частиц СВА, вычисляются коэффициенты у^- (для заданного сред-
него газокинетического радиуса частиц СВА определяется среднее давление
частиц СВА вблизи поверхности аппарата ро. Поскольку расчетное значение давле-
ния ро может существенно отличаться от наблюдаемого ps, вводится поправка на ко-
эффициенты ykj в виде:
• (1.1.20)
Ро
Рассмотренный подход позволяет получить оценку у^ для заданного значения
давления ps и среднего газокинетического радиуса частиц СВА при ограничен-
ном объеме исходных данных и без учета динамики изменения интенсивности ис-
точников во времени. Однако он не учитывает колебания температуры поверхности
и эволюцию геометрического облика КА. Экспериментально установлено, что при
переходе КА с освещенных Солнцем участков орбиты на неосвещенные и обратно
давление вблизи поверхности КА изменяется на 1-2 порядка величины. Причиной
этого является зависимость интенсивности массовыделения конструкционных ма-
териалов от температуры. При увеличении температуры от 10-20 до 50-70°С про-
исходит многократное увеличение скорости массовыделения, что и приводит к рос-
ту концентрации частиц СВА.
ГЛАВА 1.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВА...
55
Для учета данного фактора в расчеты вводится температурная зависимость интен-
сивности массовыделения конструкционных материалов в виде:
Л(Г) = Лехр(-ЕаД7;), (1.1.21)
где Tw - температура поверхности материала; Еа - энергия активации процесса мас-
совыделения (или десорбции).
Для многих материалов энергия активации неизвестна, но может быть относи-
тельно легко определена экспериментально по температурной зависимости скорости
массовыделения. Если же необходимые данные отсутствуют, величина Еа может
быть оценена по экспериментальным данным о зависимости давления вблизи по-
верхности КА от температуры. Возможны и другие способы оценки этого параметра.
Чтобы учесть эволюцию геометрического облика КА (например, вращения пане-
лей солнечных батарей), необходимо рассчитать значения коэффициентов переноса
массы для различных конфигураций КА. Значения этих коэффициентов можно ус-
реднить с учетом весовых коэффициентов. Однако в некоторых случаях вместе с ко-
эффициентами переноса массы изменяется и интенсивность источников (например,
интенсивность распыления или интенсивность потоков от двигателей). Поэтому ус-
реднение следует производить уже после вычисления потоков осажденной массы тк+
для каждой конфигурации.
Итогом рассмотренных выше вычислений является набор таблиц коэффициен-
тов переноса массы для каждой контролируемой поверхности (элементарной пло-
щадки). Такие таблицы содержат значения параметра ЛКВ (или эквивалентного
параметра для источников других типов), значения коэффициентов переноса и
суммарное значение этих коэффициентов по каждому источнику массы. В качестве
примера в табл. 1.1.1 приведены данные, характеризующие процессы переноса мас-
сы в некоторой конкретной конструкции. Здесь использованы следующие обозна-
чения: ПП - прямые потоки, ВП - возвратные потоки, ОП - отраженные потоки,
СП - суммарные потоки массы. В таблице выделены элементы, дающие макси-
мальный вклад в загрязнение. В дополнение к этим таблицам указывается значение
давления СВА, среднего газокинетического радиуса, средней энергии активации и
постоянной времени процесса массовыделения, с которыми производился расчет
коэффициентов переноса массы.
Основным преимуществом рассмотренной методики является возможность раз-
деления во времени и пространстве расчета коэффициентов переноса и величин
осажденной массы. Причем, благодаря введенным выше допущениям, методика
позволяет вычислить коэффициенты переноса с привлечением общедоступной
(юстируемой) информации об источниках массы (параметры ОПМ, ЛКВ). В ре-
зультате инженерная модель формируется в виде таблиц коэффициентов переноса
массы, вычисленных по каждому источнику и для каждой контрольной площадки
КА. По этим таблицам с помощью элементарных арифметических действий можно
определить уровень загрязнения каждого критического элемента, установить вклад
различных источников массы и механизмов массопереноса в загрязнение и принять
обоснованные конструкторско-технологические решения по снижению загрязнения
КА до допустимого уровня.
56
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.1.1
Коэффициенты переноса массы для критичного к загрязнению
элемента поверхности КА
Наименование ЛКВ, г ПП, % ВП, % оп, % СП, %
Каркас корневой 2,624 - - 0,03 0,03
Каркас концевой 2,624 - - 0,01 0,01
Теплоизоляция 6,090 - - 0,05 0,05
Теплоизоляция 5,885 6,81 - 32,10 38,91
Установка теплоизоляции 3,888 0,06 0,01 1,01 1,08
Теплоизоляция 2,565 - 0,02 0,03 0,05
Монтаж кабелей 0,840 - - • 1,19 1,19
Монтаж трубопроводов 0,747 - - 0,01 0,01
БКС 2,635 - - 0,55 0,55
Корпус 1,720 - - - -
Монтаж СТР 0,142 - - - -
Радиатор 1,727 0,00 0,03 0,02 0,05
Антенна (Ан. 1) 0,129 0,08 - 0,33 0,41
Антенна (Ан. 2) 3,815 6,66 - 15,63 22,28
1.1.4. Пакет программ для расчета уровней загрязнения поверхностей КА
Рассмотренные выше методы были реализованы в программе ISPIS) [13], разра-
ботанной в МАИ совместно с фирмой Alcatel Space (Франция). Основными функция-
ми программы являются:
• расчет скорости эрозии поверхностей КА под действием струй ЭРД;
• определение скорости осаждения вещества, распыленного ионами струй ЭРД,
на поверхностях КА;
• расчет концентрации частиц массоотделения в окрестности КА;
• расчет уровня загрязнения элементов поверхности КА продуктами массоотде-
ления конструкционных материалов (прямые потоки, отраженные потоки и
возвратные потоки массы);
• расчет ПМС в заданном направлении.
Главное окно программы представлено на рис. 1.1.5.
Программа ISP 2.0 обладает удобным пользовательским интерфейсом и эффек-
тивными средствами управления данными, что значительно облегчает работу опера-
тора, делая ее простой и естественной. Развитые средства ЗЭ-визуализации позволя-
ют быстро и наглядно отобразить результаты расчетов. Имеется возможность
построения изолиний, интерполяции значений исследуемого параметра, управления
ГЛАВА 1 1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВА...
Рис. 1.1.5. Главный экран программы ISP 2.0
режимами отображения объекта и раскраски элементов КА, отображения расчетных
сеток, траекторий частиц. Имеются также средства визуализации распределения па-
раметров СВА в окрестности КА.
Геометрическая модель КА формируется из ряда примитивов и их групп При-
митивы представляют собой фрагменты поверхностей 1-го и 2-го порядка, такие
как прямоугольник, треугольник, диск, сфера, конус, параболоид и т. п. Все прими-
тивы (их более 20 видов) параметризованы таким образом, чтобы их задание было
предельно простым. Для позиционирования примитива предусмотрены процедуры
переноса и поворота его системы координат относительно главной системы коор-
динат моделируемого объекта. Несколько примитивов могут быть объединены в
группу, имеющую иерархическую структуру практически неограниченной степени
сложности. Внутри группы действуют механизмы наследования свойств в направ-
лении от старших элементов к подчиненным. В программе IPS 2.0 реализовано
многовариантное задание геометрической модели объекта. Для любого объекта
может быть создан его многовариантный образ, в котором хранятся все возможные
состояния исходного объекта (например, конфигурация КА при различном поло-
жении панелей СБ).
При расчетах СВА используется три типа сеток: ортогональные, регулярные и
бинарные. Ортогональные сетки задаются пользователем. Регулярные и бинарные
сетки являются адаптивными и строятся автоматически. Пример графического пред-
ставления результатов расчетов приведен на рис. 1.1.6.
В последних версиях программы имеются средства расчета траектории КА и его
ориентации в пространстве, что позволяет учесть освещенность и температуру по-
верхностей КА в расчетах СВА.
58
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.1.6. Результаты расчета распределения продуктов СВА в окрестности КА
Программа рассчитана для работы на персональных компьютерах под управле-
нием операционных систем Windows NT/2000/XP. Характерное время проведения
расчета составляет от 1-2 (для простых геометрических схем) до 50-100 часов для
реальных компоновок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рыжов Ю.А. Внешняя атмосфера летательных аппаратов и ее взаимодействие с элементами конструк-
ции. Динамика разреженных газов и молекулярная газовая динамика. Тем. сб. науч. тр. МАИ.
М.: Изд-во МАИ, 1988, с. 3-27.
2. Simons G. A. Effect of nozzle boundary layers on rocket exhaust plum. Al A A Journal, 1972, v. 10, No 11,
pp. 1534-1535.
3. Бондарев E.H., Бургасов М.П., Васильев И.А., Кокорев А.С. Поле плотности струи вязкого газа, исте-
кающего из конического сопла в вакуум. Механика жидкости и газа, 1986, № 3, с. 25-30.
4. Бериш Р., Виттмак К., Легрейд Р. и др. Распыление под действием бомбардировки частицами. Вып. III,
Характеристики распыления частиц, применения в технике. Пер. с англ, под ред. Бериша Р. и Виттма-
каК. М.: Мир, 1998,551 с.
5. Басс В.П., Бразинский В.И., Карягин В.П., Ковтуненко В.М., Холодов С.М., Шабалин А.В. Расчет газо-
вой обстановки около аппарата «Вега» во время пролета комы. Аэродинамика, тепло- и массообмен в
разреженном газе. Труды VIII Всесоюз. конференции по динамике разреженных газов. М., 1985, с. 3-7.
6. Комник Ю.Ф. Физика металлических пленок. М.: Атомиздат, 1978.
7. Хирс Д., Паунд Г. Испарение и конденсация. М.: Металлургия, 1966, 195 с.
8. Чиров А.А. Метод определения критических условий конденсации металлов на твердой поверхности
различных материалов. Поверхность, рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования,
2005, № 7, с. 53-59.
9. Hall D.F., Stewart Т.В., Hayes R.R. Photo-enhanced spacecraft contamination deposition. European Sympo-
sium on Spacecraft Materials in Space Environment, Proc, of the Noordwik, the Netherlands, 1985, SP-232,
pp. 39-74
ГЛАВА 1.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВА...
59
10. Osantowski John F. Contamination sensitivity of typical mirror coatings - a parametric study. SPIE, v. 338,
pp. 80-85.
11. Абгарян В.К., Арбатский В.М., Надирадзе А.Б., Паршина Е.Б., Шапошников В.В. Аппроксимация про-
странственных распределений распыленных и отраженных от поверхности частиц. Материалы 17-й
Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью». М., 2005, т. 2, с. 89-92.
12. Берд Г. Молекулярная газовая динамика. Пер. с англ, под ред. Белоцерковского О.М. и Когана М.Н.
М.: Мир, 1981,316 с.
13. Perrin V., Metois Р., Khartov S., Nadiradze A. Simulation tools for the plasma propulsion and satellite envi-
ronment. 52nd International Astronautical Congress Toulouse, France, October 1-5, 2001.
14. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1975.
15. Коган М.Н. Динамика разреженного газа. М.: Наука, 1967, 440 с.
16. Рыжов Ю.А., Бургасов М.П., Кузовкин К.Н., Свирщевский С.Б. О методах расчета параметров собст-
венной внешней атмосферы космических аппаратов. Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции
по динамике разреженных газов. М., 1985, т. 1, с. 107.
17. Физико-химические процессы в газовой динамике. Компьютеризованный справочник в 3-х тт. Т. 1:
Динамика физико-химических процессов в газе и плазме. Под ред. Черного Г.Г. и Лосева С.А.
М.: Изд-во Моск, ун-та, 1995, 330 с.
18. Bhatanagar P.L., Gross Е.Р., Krook М.А. Phys. Rev., 1954, v. 94, No 3, p. 51 1-525.
19. Кошмаров Ю.А., Рыжов Ю.А. Прикладная динамика разреженного газа. М.: Машиностроение, 1977,
184 с.
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
В ОКРЕСТНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Абрамовская М.Г., Басс В.П., Петрушенко Н.В., Печерица Л.Л., Смелая Т.Г,
Институт технической механики НАН Украины и НКА Украины
Список сокращений
ГДП газодинамические параметры
ДУ двигательная установка
КА космический аппарат
ПМС первые молекулярные столкновения
СБ солнечная батарея
СВА собственная внешняя атмосфера
ВВЕДЕНИЕ
Процессы массопереноса, связанные с газовыделением и сублимацией материалов
в вакууме, приводят к образованию около космического аппарата (КА) газового об-
лака, называемого собственной внешней атмосферой (СВА) КА. Иногда в этом сло-
восочетании выражение «внешней» опускают, включая в рассмотрение газодинами-
ческие процессы внутри негерметичных отсеков КА. Как будет показано ниже, их
динамика напрямую связана с процессами массопереноса в окрестности КА. Суще-
ственный вклад в формирование СВА вносят компоненты струй двигательных уста-
новок (ДУ) систем ориентации, стабилизации и коррекции орбит КА. К наиболее
важным проявлениям воздействия СВА на КА следует отнести загрязнение чувстви-
тельных поверхностей КА осаждающимися продуктами СВА и возникновение свече-
ния в окрестности КА за счет различных физических механизмов [1,2].
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
61
Интенсивность газовых потоков, приходящих в некоторую точку в окрестности
КА или на его поверхности, зависит от скорости газовыделения, потенциальных ис-
точников загрязнений и геометрии расположения этой точки относительно каждого
из источников. Прямая видимость (наличие линии визирования) не является необхо-
димым условием для того, чтобы чувствительная поверхность была загрязнена от
какого-то источника газовыделения. Продукты газовыделения могут попасть на эту
поверхность в результате их прямого отражения от соседних элементов конструкции
КА или в результате сорбционно-десорбционных процессов. Кроме того, частицы,
покидающие поверхность КА, могут рассеиваться в обратном направлении вследст-
вие взаимодействия с СВА и набегающим газовым потоком остаточной атмосферы
Земли. Очевидно, что последний эффект будет более существенным на низких орби-
тах, где плотность атмосферы выше. Для очень чувствительных к загрязнениям по-
верхностей указанные механизмы переноса загрязнений не по линии визирования
могут быть весьма существенными.
Рассматриваемые вопросы довольно сложны как с физической, так и с математи-
ческой точки зрения. Поэтому они требуют привлечения современных численных
методов динамики разреженного газа и молекулярной газовой динамики, а также
соответствующего программного и аппаратного обеспечения. Успех решения задачи
прогнозирования параметров СВА связан как с созданием достаточно точных чис-
ленных алгоритмов и программного обеспечения, так и с определением характери-
стик источников массы. Вторая часть задачи не менее, а, возможно, и более сложна,
чем первая. Причинами этого являются трудности в описании процессов массоотде-
ления от реальных поверхностей КА в условиях действия факторов космического
пространства. В этой ситуации в отдельных случаях предпочтение может быть отда-
но простым моделям массопереноса с использованием экспериментальных данных
по характеристикам источников массы.
Процессы свечения, наблюдаемые над поверхностями КА, являются одним из
проявлений воздействия СВА на КА. Свечение может стать источником серьезных
помех при работе оптических приемников и детекторов частиц, снизить точность
оптических измерений в инфракрасной, ультрафиолетовой и видимой областях спек-
тра. Физико-химические процессы в СВА, приводящие к возникновению свечения,
сложны и многообразны. В последнее время появляется все больше работ, в которых
основным источником свечения считаются метастабильные излучающие частицы
NO*, NO2*, N2*, ОН*, образующиеся при взаимодействии многокомпонентного набе-
гающего потока частиц верхней атмосферы Земли с КА [3].
Расчет потоков частиц в окрестности КА в общем случае основывается на реше-
нии кинетического уравнения Больцмана. В последнее время получили существенное
развитие численные методы прямого решения этого уравнения. В [4] на основе не-
стационарного метода прямого статистического моделирования, предложенного
в [5], была разработана программа и выполнены отдельные расчеты параметров СВА
в окрестности КА «Space Shuttle». Однако применение этих методов для серийных
прикладных расчетов при решении трехмерных задач пока не представляется воз-
можным. Решения же отдельных задач носят скорее характер контрольных расче-
тов и численных экспериментов. Поскольку обычно рассматривается течение силь-
но разреженного газа и задача сводится к получению лишь первой поправки к
62 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
свободномолекулярному значению для функции распределения в окрестности рас-
сматриваемого тела, то можно отказаться от решения уравнения Больцмана. В ряде
работ построены приближенные полуаналитические и численные методы расчета,
которые можно условно разделить на две группы: методы решения модельных
уравнений Больцмана и методы, основанные на теории «первых молекулярных
столкновений» (ПМС).
В [6] разработан алгоритм решения модельного уравнения [7] для смеси двух га-
зов, описывающего возвратные потоки молекул, десорбируемых с поверхности рас-
сматриваемого тела. Алгоритм был реализован в программе SPACE [8] для расчета
процессов массопереноса в окрестности КА сложной геометрической формы.
Привлечение громоздкого математического аппарата для проведения многопара-
метрических инженерных расчетов сопряжено с определенными трудностями. В [9]
показано, что данная задача может быть решена в рамках более простой и хорошо
приспособленной к реализации на ЭВМ модели ПМС с достаточно общими началь-
ными и граничными условиями. Последующие разделы данной главы будут в значи-
тельной степени основываться на результатах этой работы, а также работ [10-15].
В ряде работ [16-24] используются приближенные модели и алгоритмы, бази-
рующиеся на упрощающих предположениях относительно функции распределения
молекул набегающего и отраженного потоков по скоростям, а также потенциалов
взаимодействия сталкивающихся частиц. В частности, набегающий поток вместо
максвелловского заменяется моноскоростным, а рассеяние в системе координат, свя-
занной с центром масс сталкивающихся частиц, принимается изотропным, либо по-
лагается, что рассеяние частиц набегающего потока происходит на покоящихся час-
тицах продуктов СВА.
В NASA и ESA на базе методик [25-28] создан ряд программных средств для оп-
ределения газодинамических параметров (ГДП) в поле струй ДУ систем ориентации
и стабилизации КА. Созданный в ESA программный комплекс «ESABASE/PLAM»
[29] позволяет проводить расчеты потоков от ДУ на всех участках течения струи
вплоть до взаимодействия с поверхностью КА. Методическое, алгоритмическое и
программное обеспечение, описанное в [25-28], рекомендовано также для использо-
вания в Руководстве для конструкторов NASA [30].
Используемые в [25-29] расчетные методы являются аналогом кинетического
подхода, предложенного в [31, 32] и получившего дальнейшее развитие в [33-35].
В [35] разработана методика решения трехмерных свободномолекулярных струйных
течений при наличии преград сложной формы с учетом взаимного затенения элемен-
тов конструкции. На их основе создано методическое и программное обеспечение,
которое вошло в состав пакета прикладных программ «Высота-2» [36] (модуль «Мас-
соперенос») и было использовано при аэрогазодинамическом сопровождении косми-
ческих проектов «Марс», «Спектр», «Фобос», «Океан-О», «Сич» и др.
Количественные оценки свечения в окрестности КА могут быть сделаны с по-
мощью математических моделей, основанных на описании процессов массоперено-
са с помощью молекулярно-кинетической теории газов [9, 10, 14, 37] и статистиче-
ском анализе результатов натурных и наземных исследований этого явления на КА
различного назначения [38].
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
63
1.2.1. Методы и алгоритмы расчета свободномолекулярных полей течений
в окрестности КА простой формы (выпуклые тела)
1.2.1.1. Метод численного интегрирования
Рассматривается обтекание произвольных выпуклых тел потоком сильно разре-
женного газа при отсутствии внешних сил [10]. Предполагается, что отраженные от
тела молекулы могут испытывать первое столкновение на достаточно большом рас-
стоянии от тела и не вносят существенных возмущений в картину течения. Состоя-
ние газа в набегающем потоке считается равновесным с максвелловской функцией
распределения молекул по скоростям:
"оо
--------77ГехР
(2ллт;)3/2
(v-VJ2>
гл?; J
(1-2.1)
Здесь и в дальнейшем используются общепринятые в молекулярной газовой динами-
ке обозначения (см., например, [39]).
Считается, что поверхность тела не излучает и не поглощает молекул, т. е. выпол-
няется условие сохранения частиц на поверхности тела. Закон отражения молекул
газа от поверхности тела принимается зеркально-диффузным (коэффициент диффуз-
ности обозначается а). При этих предположениях функция распределения молекул,
отраженных от неподвижного элемента поверхности тела, имеет вид:
Л(г»> V) = (1 - a)/ (rw, v - 2(v • n) n) + afw, (1.2.2)
где
»Ж)
(2ллт;)3/2
( V2
ехр-------
2RTU
Здесь п - единичный вектор нормали в точке
п„ = Для выпуклых тел f=f».
(1.2.3)
с радиус-вектором rw;
При расчете поля течения около тела необходимо знать функцию распределения
во всех точках окрестности тела. Для произвольной точки А в окрестности тела мож-
но выделить телесный угол таким образом, что в элементарный объем с центром в
точке А попадут только те молекулы набегающего потока, векторы скоростей кото-
рых принадлежат телесному углу 4тг - Ц, и молекулы, отраженные от поверхности
тела, векторы скоростей которых лежат внутри Q,, Следовательно, функция распре-
деления молекул в точке А с радиус-вектором г будет иметь вид:
/(r,v)
Д, ve4n-Qr,
Л, veQr.
(1.2.4)
Тогда любой момент функция распределения представляется выражением:
00
<ц(г) л(г)> = j cKlr jn(r,v)/>2<7v +
4л-Ог О
00 00
+ p^JlXr.v)/, у2Л = цДг)иДг)+ pQrjli(r,v) (/.-/J v2dv.
о яг о
(1.2.5)
64
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Полагая в (1.2.5) ц(г,у) = 1, ji(r,v) = v и p(r,v) = (w/2)(v-V(r))2, найдем вы-
ражения для концентрации молекул, потоков массы и энергии частиц в любой точке
расчетной области:
00
«(г) = + J dClr J(/r -fx)v2dv;
Qr О
00
n(r)V(r) = ияих + Jd£lr J(/r -/») v v2dv\
Qr 0
(1.2.6)
|щг)и(г)= J <7Qjy(v-V(r))2/dv +
4n-Qr 0
+ Jy(v-V(r))2/pv2</v.
Qr 0
После подстановки выражений (1.2.1)-(1.2.3) в (1.2.6) и интегрирования по моду-
лю скорости отраженных молекул v получим выражения для основных ГДП течения
в окрестности выпуклого тела:
и(г) = л00 1+ ;
I а )
( Ч
V(r) = ^UK + Jx2v0</nJ;
(1.2.7)
(1.2.8)
(1-2.9)
Цг) = -^-
"(г)
где %1, %2, Хз - специальные функции, выражения для которых приведены в [10].
Формулы (1.2.7)-( 1.2.9) довольно сложны, и получить конечное выражение для
определения макропараметров течения представляется возможным лишь в исклю-
чительных случаях. Особенно трудоемка процедура определения границ области Qr.
Аналитически сделать это удается только для простых тел при их симметричном об-
текании [39-44].
Для вычисления интегралов в (1.2.7)-( 1.2.9) используется метод, основанный на
переходе от интегрирования по телесному углу к численному интегрированию по
части поверхности тела, видимой из некоторой точки А. Границы области интегри-
рования при этом определяются условием (г-п) > 0 в процессе счета [10].
В изложенной постановке метод численного интегрирования применим и для рас-
чета параметров сильно разреженного газа, возмущенного симметрично вращаю-
щимся в нем телом [45]. Необходимость решения такого рода задач возникает при
расчете начального поля потока для определения аэродинамических характеристик
тел вращения, которые стабилизируются относительно вектора скорости набегающе-
го потока с помощью предварительной закрутки относительно оси симметрии. При-
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
65
мером могут служить головные части ракет, стабилизированные вращением при их
входе в плотные слои атмосферы.
Предположим, что выпуклое тело вращается вокруг одной из осей симметрии с
заданной угловой скоростью со, а взаимодействие молекул газа с поверхностью про-
исходит мгновенно. При этих допущениях функции распределения молекул набе-
гающего потока и молекул, отраженных от поверхности тела зеркально, а также об-
ласть Qr, будут такими же, как и для неподвижного тела. Диффузно отраженные
молекулы приобретают дополнительную скорость, обусловленную вращением тела.
Следовательно, функция распределения набегающих молекул определяется согласно
(1.2.1), а для отраженных:
Л(Г„, V) = (1 -а)/ю (v- 2(v • n(rj) n(rj) + exp f-V ~ 1 (1.2.10)
(2,71 R1 w)
Поскольку линейная скорость вращения со х rw в каждой точке поверхности тела
является касательной к поверхности, т. е. сох rw±n(rw), концентрация nw(rw) опреде-
ляется из условия непроницаемости поверхности. Дальнейшая процедура по опре-
делению макропараметров потока такая же, как и для неподвижного выпуклого
тела.
1.2.1.2. Приближенные алгоритмы для определения ГПД вблизи выпуклых тел
В практике инженерных расчетов иногда используются приближенные методы и
алгоритмы, основанные на упрощающих предположениях относительно функций
распределения (1.2.1)-(1.2.3). Прежде всего, эти упрощения относятся к набегающе-
му потоку. При движении тел на высотах 300-500 км массовая скорость набегающе-
го потока намного превосходит скорость теплового движения частиц верхней атмо-
сферы (К»»у). В этом случае функцию распределения (1.2.1) можно заменить
5-функцией:
/oo = 5(v-Voo)
и рассматривать обтекание тела моноскоростным потоком разреженного газа. При
таких предположениях можно получить конечные выражения для параметров потока
перед движущимися телами простой геометрической формы [46].
Остановимся на примере расчета концентрации частиц в окрестности сферы, для
которой получен ряд приближенных решений. Для диффузно отражающей сферы
(о= 1), выполнив интегрирование в (1.2.6) по телесному углу Qr, получаем аналити-
ческое выражение для концентрации падающих и отраженных частиц в точке с ра-
диус-вектором г перед сферой:
п(х,г)/пт =1+—4 л^4(1 + 2'-3->/г2-1(1 + 2г2)У (1.2.11)
3 V К г \ >
Здесь все линейные размеры отнесены к радиусу сферы rs. На линии торможения
(у = z = 0,x-r> 1) выражение (1.2.11) принимает вид:
и(х)/»м=1+^ LZkJ_(i + 2x3->/?^i(l + 2x2)). (1.2.12)
3 Д| ТУ, х
66 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
В работе [47] рассмотрена несколько иная схема диффузного рассеяния. Пред-
полагается, что любой элемент поверхности сферы отражает частицы как сфериче-
ский источник - равномерно во всех направлениях с постоянной скоростью
В зоне непосредственно впереди тела, т. е. при у < получено следующее выраже-
ние для концентрации частиц:
у / У* *4“ 1 1
„(х,г)/ию =1+—S I (1 + г2)In—+2(1 -г) , (1.2.13)
4г < г -1 )
где Sw=Va>/ Vs- В частности, на оси х:
1 ( Г + 1 А
=1 + —(1 + х2)1п^—+ 2(1-х) . (1.2.14)
4х < х -1 )
При выводе формул (1.2.13) и (1.2.14) в [47] были допущены ошибки, которые
порождают логарифмическую особенность при г -» В связи с этим авторами были
сделаны неверные выводы о характере возрастания концентрации отраженных час-
тиц пг вблизи поверхности тела. Исходя из закона сохранения частиц, нетрудно пока-
зать, что в окрестности любой точки поверхности сферы:
п <п ^2
" Vs
где п - внутренняя нормаль к поверхности в данной точке.
Одним из обобщенных вариантов функции распределения (1.2.4) является
предложенная в [48] лучевая модель с отражением по нормали. В этом случае
функция распределения в любой точке расчетного поля в окрестности сферы при-
нимает вид:
[8(v-VJ,
/(r,v) = ( X
где Sr - безразмерная скорость отраженных частиц, которую можно отождествлять,
например, с наиболее вероятной скоростью отраженных частиц Sr = y)2RTw Iдля
функции (1.2.4) при о=1. Ограничиваясь сечением z = 0, получим концентрацию
частиц в точке с радиус-вектором г [48]:
п(х, г) , х
——- = 1 +---?.
«00 SrP
На оси сферы:
п(х) 1
Srx2
(1.2.15)
(1.2.16)
Для определения суммарной концентрации частиц СВА необходимо знать рас-
пределение продуктов дегазации в окрестности рассматриваемого тела. Для сферы,
в силу радиальной симметрии разлета десорбированных частиц, задача существен-
но упрощается. В работе [18] в рамках модели ПМС получено выражение для кон-
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
67
центрации частиц, поступающих с поверхности сферического спутника радиуса rs
в виде:
АГ ехр(-г/Х0)
I — —1----------
’ 4n(rs+r)2yD
(1.2.17)
где Nq - число частиц дегазации с поверхности сферы в единицу времени; г - ради-
альное расстояние от поверхности сферы; VD - скорость частиц; \D - длина свобод-
ного пробега частиц дегазации:
V
V„ + VD
Здесь Хо - средняя длина свободного пробега частиц окружающей среды, а - ско-
рость частиц набегающего потока.
Для функции распределения, взятой в виде (1.2.4), распределение частиц дегаза-
ции в окрестности сферы будет определяться соотношением:
1 Уг2-1
(1.2.18)
Ф)-«с
Рис. 1.2.1. Изменение концентраций на
оси х в зависимости от расстояния
до центра сферы
8 gw2kTw
где г -rlrs (здесь г отсчитывается от центра сферы).
В рамках рассмотренных моделей формулы (1.2.17) и (1.2.18) являются частны-
ми случаями формул (1.2.15) и (1.2.13) соответственно. Это нетрудно показать, ес-
ли связать концентрацию частиц в каждой точке поверхности сферы со скоростями
потери массы Ng в (1.2.17) и gw в (1.2.18). На рис. 1.2.1 показано изменение концен-
трации частиц на оси х в зависимости от расстояния до центра сферы. Линии 1, 2 и
3 соответствуют расчетам по формулам (1.2.12), (1.2.14), (1.2.16) для значений
Sw = 1 /Sr = V^(2RTy^~xl2. Как видно из приведенных графиков, несмотря на различия в
моделях отражения, заметные отклонения расчетных параметров наблюдаются лишь
непосредственно вблизи сферы. В то же время рассмотренные модели более просты и
в ряде случаев позволяют распространить
результаты на другие тела. Так, к приме-
ру, формула (1.2.15) верна для любого
выпуклого осесимметричного тела с ко-
нечным радиусом кривизны в носке.
Однако следует отметить, что в ряде
задач наличие зон повышенной концент-
рации в непосредственной близости к об-
текаемой поверхности вносит основной
вклад в определяемые параметры. К их
числу относится расчет возвратных по-
токов к контролируемым поверхностям,
обусловленных столкновениями частиц
различных классов. В этом случае приме-
нение приближенных моделей может при-
вести к значительным погрешностям.
68 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.2.2. Расчет газодинамических параметров в окрестности КА сложной
формы
В невозмущенном потоке на достаточном удалении от тела функция распределе-
ния определяется формулой (1.2.1). На элемент поверхности тела могут попадать
молекулы газа, ранее испытавшие столкновения с поверхностью тела. Поэтому при
зеркально-диффузном законе взаимодействия газа с поверхностью функция распре-
деления отраженных молекул fr представляется выражением (1.2.4), но уже к
(1.2.2), и определение пг(у) не является тривиальной задачей. Так, при чисто диффуз-
ном законе взаимодействия необходимо решать интегральное уравнение Фредгольма
второго рода [9]:
М= + M’)J|^G(r.rW. (1.2.19)
у]т(,г)/тх £ умн
где
Q(r)=- J J(z)(v0-n)rfQ;
A(z) = (1 + z2) ехр(-52) + Virz (-| + z2) (1 + erf z) exp(z2 - S2);
, (U„-v) r, cosG cos 0'
W C(r'r)-
Область интегрирования E представляет собой часть поверхности тела, видимую из
элемента поверхности тела с радиус-вектором г. Решить уравнение (1.2.19) аналити-
чески для тел сложной формы не удается. Известно его решение лишь для симмет-
ричного обтекания полусферы при гиперзвуковом режиме обтекания (см., напри-
мер, [39]).
1.2.2.1. Регулярные методы решения
Для решения уравнения (1.2.19) можно применить один из распространенных
численных методов - метод интегральных сумм.
Разбивая поверхность интегрирования Е на N элементарных площадок ДЕ, по-
лучим:
«(г/) = ё(г/) + ЕиАг;№>г;)д^> !’ ->N- (1-2.20)
7='
Тогда решение интегрального уравнения (1.2.19) сводится к решению системы
линейных алгебраических уравнений (1.2.20).
Ядро интегрального уравнения (1.2.19):
' m 1 cosOcosO'
Ф =G(r,r)</Z =-7Z7—:----~rd^ d£,
a L тг|г-г|
является фактически локальным угловым коэффициентом излучения, встречающим-
ся в задачах лучистого теплообмена, и, следовательно, ср' е [0,1]. К решению систе-
мы (1.2.20) применим обычный метод итераций.
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
69
Получив иг(г) из (1.2.19), найдем параметры потока интегрированием по поверх-
ности тела соответствующих выражений [9]:
«(Г) = «00
<• —S’ cos3 0 / i— \
Je2 cos
+ —
4V
(1.2.21)
V(r) = -^-
«(r)
V„-3e-s“
cos3 CQS 0) Vq6/q +
—. Дг [nrJj;v.dQ.
n(r)Wnj_ rN r
(1.2.22)
Область интегрирования в (1.2.21), (1.2.22) определяется с учетом взаимного
экранирования элементов поверхности тела. При этом используется метод, разрабо-
танный в [49-52] и получивший дальнейшее развитие при автоматизации расчетов
внешнего теплообмена КА под названием «лучевой» метод [53], или «метод стрель-
бы лучом» [54].
1.2.2.2. Комбинированный метод расчета
В ряде работ (см., например, [55-59]) для расчета ГДП течения в окрестности тел
предложены методы прямого статистического моделирования. Эти методы основы-
ваются либо на суммировании потоков определенных молекулярных «признаков» на
элементарную поверхность, содержащую данную точку окрестности тела [55, 56],
либо на учете времени нахождения молекул в элементарном объеме [57-59].
В методах прямого статистического моделирования ГДП течения находятся непо-
средственно, и при этом нет необходимости в определении nw на поверхности тела.
Однако применение этих методов для серийных расчетов проблематично. Зачастую
нужен интуитивный подход при подборе параметров алгоритма, позволяющих полу-
чить результаты с удовлетворительной точностью. Эти методы требуют сравнитель-
но небольших вычислительных ресурсов, но для достижения приемлемой точности
возникает необходимость в большом количестве испытаний. Наиболее существен-
ным достоинством методов прямого моделирования является то, что они могут рабо-
тать при задании любых законов взаимодействия газа с поверхностью.
Сущность комбинированного метода состоит в том, что для определения попра-
вок пг(у) за счет переотражения частиц от соседних элементов поверхности применя-
ется метод прямого статистического моделирования, а ГДП по всему полю течения
рассчитываются путем интегрирования по поверхности тела.
Остановимся на основных этапах расчета ГДП комбинированным методом [9].
Этап 0. Задание геометрии обтекаемого тела.
На этом этапе (общем для всех методов расчета) требуется подобрать аппрокси-
мацию формы исходного КА в виде, удобном для проведения расчетов.
Этап 1. Расчет падающих потоков и построение контрольного параллелепипеда (КП).
Разбив поверхность на мелкие площадки dA, находим падающие на них потоки:
dN„=dA J (U-n)./;</U, (1.2.23)
(гп)>0
где п - единичный вектор внутренней нормали к dA.
70 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Вычисление потоков (1.2.23) проводится только для незатененных площадок dA.
В процессе вычисления потоков определяются габаритные размеры обтекаемого
тела в скоростной системе координат, по которым и выстраивается объемлющий тело
КП. Построение КП в скоростной системе облегчает дальнейший процесс вычисле-
ний, так как в этом случае две грани КП нормальны к вектору скорости, а остальные
четыре параллельны ему.
Этап 2. Моделирование обтекания тела.
Этот этап состоит в построении траекторий частиц, моделирующих газ, от старта
с КП до выхода из КП после отражения от поверхности тела (возможно, неоднократ-
ного). Старт частиц начинается с одной из граней КП. Вероятность Pj появления час-
тицы на соответствующей z-ой грани КП пропорциональна потоку частиц на эту
грань Pj = Nj/N^ i= 1, ..., 6, где - суммарный поток частиц через все грани парал-
лелепипеда, определяемый выражением:
6
= n,= J (и-п,)Л(и)Л14
'=1 (УП/)>0
Здесь П/ - единичный вектор внутренней нормали к соответствующей грани; Я/ -
площадь грани. Компоненты вектора U на любой из граней параллелепипеда разыг-
рываются согласно функции распределения (1.2.1).
Точки старта г0 на выбранной грани распределяются равномерно. Уравнение тра-
ектории частицы в параметрической форме имеет вид:
г=г0 + и/. (1.2.24)
Определение точки попадания частицы набегающего потока на поверхность об-
текаемого тела сводится к последовательному решению уравнения прямой (1.2.24)
совместно с уравнениями базовых элементов, которыми аппроксимируется внешняя
поверхность тела. Из полученных решений отбирается минимальное положительное
значение ts. Подставляя ts в (1.2.24), определяем точку пересечения r5=r0 + U/5.
Отсутствие ts свидетельствует о выходе частицы из КП без пересечения с поверх-
ностью тела.
В точке г5 строится траектория отраженной частицы:
r = r$ + Ur/, (1.2.25)
где Ur- скорость диффузно отраженной частицы, разыгрываемая по формулам:
lu l = V-27?7;in(^^),
11 !— (1.2.26)
COS\|/ = 7^Г,Ф = 2тг^4.
В выражениях (1.2.26) ф и ср - полярный и азимутальный углы, определяющие
направление вектора Ur в системе координат, связанной с нормалью к поверхности
тела в точке г5; - значения случайной величины, равномерно распределенной в
интервале [0,1].
По траектории (1.2.25) частица движется до попадания на поверхность тела или
до выхода из КП. При попадании на поверхность тела строится новая траектория, и
так далее - до выхода частицы из КП. После выхода частицы за границы КП модели-
руется старт следующей частицы. В процессе слежения за траекториями частиц под-
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
71
считывается количество их попаданий т на элементарные площадки поверхности
тела после отражения от других участков поверхности. Тогда поток на элемент dA, за
счет эффектов интерференции представим в виде:
где К - число стартовавших с КП частиц.
Параметр nw(rw) функции распределения отраженных частиц на всех площадках
dA определяется выражением:
+ dA(RTj2к’
где Ии-1(Ги,) - концентрация однократно отраженных от элемента dA частиц.
Этап 3. Определение ГДП поля потока.
После того, как параметр nw(r^ откорректирован с учетом эффектов интерферен-
ции (переотражения), задача по определению ГДП в точке расчетного поля с радиус-
вектором г сводится к расчету моментов функции распределения (1.2.4) при сг= 1.
При интегрировании по необходимо учитывать только видимую из точки г часть
поверхности тела и не учитывать затененные участки.
Проверка работоспособности комбинированного метода в [9] проведена путем
сравнения расчетов концентрации частиц на оси вогнутой полусферы радиуса rs с
имеющимся аналитическим решением [39].
Комбинированный метсд для достижения заданной точности расчетов требует
намного (более чем на два порядка) меньшего объема выборки, чем обычный метод
Монте-Карло [55, 56]. Следует также отметить, что при расчетах методом прямого
моделирования возможны такие ситуации, когда при достаточно высокой точности
расчета ГДП в каждой отдельной точке может быть нарушена качественная картина
течения. Отметим, что алгоритм комбинированного метода позволяет путем исклю-
чения этапа 2 исследовать влияние эффектов интерференции.
1.2.3. Расчет газодинамических параметров в поле струй двигательных
установок
При предыдущем рассмотрении численных схем расчета ГДП в окрестности КА
источниками возмущений являлись набегающий поток верхней атмосферы и продук-
ты газовыделения с внешних поверхностей. Не нарушая общности подхода, анало-
гичным образом можно построить алгоритм расчета параметров течения вблизи со-
средоточенных источников, какими являются струи ДУ и продукты истечения из
дренажных клапанов. В данном случае речь идет об изучении газодинамических
процессов при истечении струй в вакуум. Остановимся на основных моментах рас-
четного алгоритма, основанного на кинетическом подходе [31-35].
Вблизи среза сопла выделяется начальная поверхность раздела сплошносредного
и свободномолекулярного течений. Форма этой поверхности в общем случае может
быть произвольной. На начальной поверхности функция распределения молекул по
скоростям принимается максвелловской:
12
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
(1.2.27)
где ц$ = тъ/2кТ$\ и - массовая скорость потока, направленная по радиус-вектору г5,
определенному положением рассматриваемой точки S поля течения; ns, Ts - кон-
центрация, молекулярный вес и температура продуктов истечения соответственно.
Задание граничной функции распределения в случае бесстолкновительного тече-
ния однозначно определяет функцию распределения по скоростям в любой точ-
ке А(г) расчетного поля (рис. 1.2.2). По аналогии с (1.2.4), искомую функцию распре-
деления можно представить в виде:
/(г,У) = Р*’VeQ^’ (1.2.28)
1 О, V g Q(r),
где Q(r) - телесный угол, образованный касательными из точки А(г) к граничной
поверхности. Тогда ГДП течения в свободномолекулярной области представляются
в виде интегралов от граничной функции распределения, параметры которой нахо-
дятся с помощью численных решений уравнений невязкого обтекания или с помо-
щью приближенных методов. Такой подход позволяет учесть основные закономер-
ности изменения параметров струи вблизи среза сопла (взаимодействие ударных
волн, волн разрежения) и их влияние на характеристики течения.
Рис. 1.2.2. Начальная поверхность раздела сплошносредного
и свободномолекулярного течений в поле струи
При использовании соотношений (1.2.27)-( 1.2.28) процедура определения ГДП
в произвольной точке А(г) расчетной области аналогична той, которая применяется
при обтекании выпуклых тел. Таким же образом вычисляются параметры потока
и при свободном истечении газа в вакуум из различных дренажных отвер-
стий [34, 35].
При наличии преграды в поле течения струи ГДП в расчетной области определя-
ются суммированием вкладов набегающего и отраженного потоков по схеме, рас-
смотренной выше. Параметры невозмущенного потока струи могут быть определены
на базе кинетического подхода путем численного решения уравнений движения не-
вязкого газа или с использованием приближенных методов, построенных на резуль-
татах обработки экспериментов. В процессе численного интегрирования на каждом
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
73
шаге проверяется возможность затенения расчетной точки А относительно невозму-
щенного потока, а также потоков, индуцируемых преградой.
На рис. 1.2.3 штрихпунктирной линией представлены результаты расчетов ли-
ний равных плотностей lg(p/pfl) в поле сверхзвуковой струи, истекающей из сопла с
углом полураствора у = 16° и радиусом среза га = 0,00625 м. Параметры на срезе соп-
ла: число Маха Ма = 5, давление Ра = 1 330 Н-м"2, показатель адиабаты к = 1,4. Тем-
пература торможения TQ = 300 К.
Для сравнения здесь представлены результаты расчетов по программе [60], реали-
зующей численный метод сеток применительно к течению идеального газа, а также
приближенным методом на основе формулы Робертса [61].
Эта методика использована при создании программного обеспечения для иссле-
дования ГДП в поле нерасчетных струй ДУ КА, которое находится в отраслевом
фонде алгоритмов и программ [62].
1.2.3. Результаты расчета линий равных плотностей в поле
сверхзвуковой струи:----метод сеток [60];----формула
Робертса [61]; — • — комбинированный метод
1.2.4. Математическая модель для расчета возвратных потоков
к контролируемым поверхностям
Как уже отмечалось, при движении КА на больших высотах задача по определе-
нию возвратных потоков к контролируемым поверхностям может быть решена в
рамках модели ПМС [9]. Число частиц, покинувших элемент поверхности dSj и по-
павших на него в результате столкновений в некотором объеме dx физического про-
странства (перекрестное рассеяние), можно представить в виде:
dNj = nlfi2g2l {^dx, (1.2.29)
dSj
где n\ =fdN\ и п2 =fidV2 - концентрации частиц набегающего потока и продуктов
массовыделения в Л; g2\ = IU2 - Ui | - относительная скорость сталкивающих частиц
74
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
(индекс 1 относится к частицам набегающего потока, а индекс 2 - к частицам газо-
выделения); do - дифференциальное сечение рассеяния в телесный угол dQ под ко-
торым элемент dSj виден из центра объема rfc; /1, f2 - функции распределения по
скоростям частиц обоих классов.
Для расчета удельных возвратных потоков, обусловленных саморассеянием час-
тиц массовыделения, выражение (1.2.29) принимает вид:
^y=|n2n2g21(^->. (1.2.30)
Z Ct!S j
Дифференциальное сечение рассеяния для упругих сфер в системе координат,
связанной с обтекаемым телом, определяется соотношением:
do = W(y)d& = —
4л
± 2tk cos у +
1 + t2k cos 2у
(\-t2k sin2 у)1/2 ,
б/CD,
(1.2.31)
^(OT,+»72) |gc|
1 ди 1к - I г
|g2l|
В выражении (1.2.31) с0 - полное сечение рассеяния для молекул-шаров; у - угол
между вектором скорости частицы после столкновения, движущейся в направ-
лении обтекаемого тела, и вектором скорости центра масс gc = |U2 + pUi |/(1 + ц);
ц = т\1тп2\ к= 1,2. Знаки «+» и «-» соответствуют двум возможным направлениям
вектора g2i при одном и том же угле у. Для потока частиц газовыделения сечение
рассеяния (1.2.31) принимает следующие значения в зависимости от диапазона из-
менения параметра /2:
• при t2 = 1
• при /2 > 1
ИДу) =
о0 1 + /2 cos 2у
4л (I-/2 sin2 у)1/2 ’
0, у > arcsin —,
^2
ye 0,arcsin— ,
^2 _
• при 0 < /2 < 1
FF(y) = —< 2/2 cosy +
4л
1 + /22 cos 2у 1
(I-/2 sin2 у)1/2 J ’
Суммарные возвратные потоки продуктов массовыделения к соответствующим
участкам поверхности обтекаемого тела определяются путем интегрирования (1.2.29)
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
75
(1.2.32)
^21
Рис. 1.2.4. Угловое распределение возвратных
потоков на равномерно газящую сферу
по пространствам скоростей U! и U2, поверхности S обтекаемого тела и объему т
прилегающего к нему пространства:
"ИИШМ
и, U2 т 5
Область интегрирования по переменным физического пространства существен-
ным образом зависит от геометрии тела и параметров набегающего потока. Вычисле-
ние интеграла (1.2.32) сопряжено со значительными трудностями. Понизить его
кратность до 5 удается путем введения различных упрощений относительно функций
распределения молекул по скоростям и потенциалов взаимодействия сталкива-
ющихся частиц. Для условий полета на больших высотах можно с приемлемой для
данной задачи точностью заменить максвелловский набегающий поток моноскорост-
ным потоком. Основным упрощением расчетной модели являются ограничения, на-
кладываемые на дифференциальное сече-
ние рассеяния (1.2.31). В большинстве
приближенных методик рассеяние в сис-
теме координат, связанной с точкой столк-
новения, принимается изотропным, что
соответствует /2 = 0 в (1.2.31), либо рас-
сматривается рассеяние частиц набегаю-
щего потока на покоящихся частицах про-
дуктов газовыделения (/2=1)- Эти два
предельных случая рассмотрены в ряде
работ (см., например, [16-24]). Промежу-
точные значения параметра /2 охватывают
всевозможные комбинации значений ско-
ростей и масс частиц-партнеров по столк-
новению.
На рис. 1.2.4 показаны результаты рас-
четов углового распределения возвратных
потоков на равномерно газящую сферу
радиуса rs, выполненных с помощью мо-
дели ПМС для условий гиперзвукового обтекания. Концентрация и массовая ско-
рость частиц газовыделения около сферы определялись по формулам:
«2 (О = g«^m2 / 2w;)'/2 (1 - (г2 -1)1/2 /г),
иг (г) = (2kTr /тип2)1/2 1г (г2 - г(г2 -1)1/2),
представляющим собой аналитические решения рассматриваемой задачи. В фор-
мулах (1.2.33) г = г / rs - расстояние от центра сферы радиуса rs, а 1г - единичный
вектор в направлении г от сферы. Возвратные потоки отнесены к величине газовыде-
ления gw и безразмерной величине:
С = [—L
(1.2.33)
т V/2 с
^оо I ^оо ^12
Г J Кп Л
76
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
В табл. 1.2.1 представлены нормиро-
ванные значения средних возвратных по-
токов на поверхность сферы для различ-
ных Soo и ц при Тг = Гоо. Для сравнения
укажем значения, полученные другими
авторами. Для Sx = 5, Tr = Tx, mg =
Бердом было получено значение
0,092 [63]. В работе [64] для 5^ = 20,
Тг = Гоо, Woo = 0,3wg аналогичные расчеты
дали 0,173. Расчеты, выполненные путем
численного интегрирования выражения
(1.2.32), подтвердили приемлемую для
решения прикладных задач точность вы-
числения возвратных потоков с исполь-
зованием упрощенных моделей.
Таблица 1.2.1
Возвратные потоки на поверхность сферы
Н <Д^21 >/ (gwCo)
5 1,0 0,1618
5 0,1 0,0731
10 0,1 0,1250
10 0,01 0,0326
20 1,0 0,1936
20 0,3 0,1800
h ' = 1 0,2089
1.2.5. Исследование процессов массопереноса на этапе проектирования КА
В настоящем разделе в качестве примера приведены результаты численных ис-
следований процессов массопереноса в окрестности КА «Сич-2» и их возможного
влияния на функционирование бортового оптического телескопа [65].
Одним из главных функциональных назначений проектируемого КА «Сич-2» яв-
ляется проведение метеорологических, геофизических, миграционных и других на-
блюдений за процессами, происходящими на поверхности Земли и в атмосфере. На-
личие оптико-электронной системы высокого разрешения предусматривает качест-
венную съемку на большом удалении от исследуемых объектов. Основным
оптическим прибором, осуществляющим слежение за изучаемыми объектами, явля-
ется ориентированный на Землю телескоп с входным отверстием достаточно боль-
шого диаметра (0,832 м). Наличие на борту такого телескопа предъявляет повышен-
ные требования к изучению процессов массопереноса, которые могут приводить к
загрязнению его оптических поверхностей.
1.2.5.1. Расчет потоков частиц па входную апертуру телескопа
Потоки частиц верхней атмосферы к по-
верхности КА зависят от ее состава и концен-
трации на данной высоте при заданных гелио-
геофизических условиях. В качестве основной
компоненты набегающего потока на высоте
600 км взят атомарный кислород для макси-
мальных условий солнечной и геомагнитной
активности (7^ = 1 895 К; Sx = 4,98; Tw = 300 К;
Ко = 7 655 м-с"1; Иоо = 1,23-1014 м"3). Расчеты про-
водились для открытой крышки телескопа
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
77
Рис. 1.2.6. Концентрация частиц
набегающего потока, отраженных
от поверхности КА, в секторе обзора
(рис. 1.2.5) и двух вариантов ориентации КА относительно вектора скорости набе-
гающего потока Voo, которые задавались углами у и у в системе координат OXYZ,
расположенной в центре тяжести КА. Безразмерный поток частиц атомарного кисло-
рода на круглую пластину площади ST (отверстие телескопа), расположенную нор-
мально оси Z с координатой Z = -2,665 м, составляет величину:
W =—!— f (V • z) = 0,0566.
VnST /
со со 1 $т
Несмотря на то, что ось телескопа направлена перпендикулярно V*,, за счет тепло-
вого разброса скоростей на входную апертуру телескопа может попадать ~6% набе-
гающего потока атомарного кислорода верхней атмосферы.
При у = 135° и у = 90° концентрация частиц набегающего потока, отраженных
от поверхности КА, в секторе обзора телескопа превышает более чем на порядок
(рис. 1.2.6). При полете КА в направлении
оси ОХ (у = 180° и у = 0°) в данной облас-
ти окружающая среда слабо возмущена.
Максимальное значение концентрации от-
раженного потока на оси телескопа 1г дос-
тигается при приближении к его входному
отверстию и имеет порядок уменьшаясь
при удалении обратно пропорционально
квадрату расстояния.
Для достижения необходимой точности
расчета методом прямого статистического
моделирования требуется довольно боль-
шое число испытаний, поэтому для расче-
тов параметров СВА вдоль оси 1г приме-
нялся комбинированный метод, описанный
выше. На рис. 1.2.7а показан характер из-
менения нормированной концентрации пит1п^ вдоль оси телескопа при переотра-
жении молекул от передней относительно набегающего потока панели солнечной
батареи (кривая 1) и от донной поверхности КА (кривая 2). Относительный вклад
интерференции незначителен и составляет менее 6% от концентрации невозму-
щенного потока. Распределение суммарной концентрации п/п^ вдоль оси ^теле-
скопа с учетом и без учета интерференции представлено на рис. 1.2.76 (кривые 1
и 2 соответственно).
Градиенты изменения п/п^т расстоянии более 1 м от донной поверхности КА в
направлении, перпендикулярном оси телескопа, достаточно малы (рис. 1.2.7в). Здесь
кривыми 1,2,3 показано распределение п/п^ вдоль оси 1г телескопа и осей Г и 12,
расположенных в плоскости У=0 на расстоянии 0,479 м от оси 1г (рис. 1.2.5). При
приближении к входной апертуре телескопа вдоль осей 1г и Г суммарная концентра-
ция п почти в два раза превосходит а при приближении вдоль оси 12 величина
и/иоо^ 1,4. Это объясняется наличием зоны затенения, появляющейся в результате
влияния крышки телескопа.
78
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.2.7. Концентрация параметров СВА вдоль оси телескопа
Помимо частиц верхней атмосферы, немаловажное влияние на формирование
газодинамической обстановки в секторе обзора телескопа оказывают продукты га-
зовыделения с поверхности КА. На рис. 1.2.7г представлена диаграмма распреде-
ления относительной концентрации частиц газовыделения nv&Jng вдоль оси теле-
скопа Ь, где ng = 2\[п gwPg - концентрация продуктов газовыделения, gw - скорость,
= 1 / yj2RTw, Tw- температура поверхности КА.
1.2.5.2. Влияние струй ДУ
Работа ДУ создает дополнительные возмущения ГДП в окрестности КА. В связи
с тем, что включение различных ДУ может происходить неодновременно, вклад
каждой из них в суммарную картину течения рассмотрен отдельно.
Анализ расположения ДУ и их ориентации показал, что прямые и отраженные от
элементов конструкции КА струйные потоки не попадают непосредственно во вход-
ное отверстие телескопа. В сектор обзора телескопа попадают только те продукты
истечения ДУ, которые отразились от панелей солнечных батарей (СБ). Перечень
ДУ, продукты истечения которых влияют на газодинамическую обстановку в секторе
обзора телескопа, их характеристики и сокращенные названия приведены в
табл. 1.2.2, 1.2.3. В табл. 1.2.2 и 1.2.3 использованы следующие обозначения типов
ДУ: ХД - холодные двигатели, ЭНД - электронагревные двигатели.
ГЛАВА 1 2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
79
Таблица 1.2.2
Перечень ДУ, которые влияют на ГДП в секторе обзора телескопа
Полное название ДУ Тип ДУ Координаты ДУ, м Сокращенное название ДУ
X Y Z
Двигатель ориентации по тангажу ХД 0,755 0 -2,48 ДОТ1
Двигатель ориентации по тангажу ХД -0,755 0 -2,48 ДОТ2
Двигатель коррекции по высоте ХД 0,763 0 -1,17 ДКВ1
Двигатель коррекции по высоте энд -0,792 0,07 -1,17 ДКВ2
Таблица 1.2.3
Характеристики ДУ и их сокращенные названия
Характеристики ДУ Значения характеристик ДУ
энд ХД
Угол полураствора сопла, град. 17 10
Радиус выходного сечения сопла, мм 2 3,5
Число Маха в выходном сечении 5,2 6,6
Статическое давление в выходном сечении, мм рт. ст. 1 0,2
Статическая температура в выходном сечении, °C 0 -230
Состав продуктов истечения смесь N2 и Н2 (80% и 20% по массе) NH3
Примеры полей относительных концентраций ^(л/л^) продуктов истечения
вблизи корпуса КА и в секторе обзора телескопа в плоскости Y = 0 для ДОТ1 и ДКВ2
представлены на рис. 1.2.8(а, б).
Результаты расчетов для ДКВ2 (рис. 1.2.86) соответствуют среднемолекулярному
составу истекающей смеси N2 и Н2 (соответственно 20% и 80% массового состава)
Продуктом истечения ХД является газообразный аммиак NH3.
Значения относительных концент-
раций л/л*, продуктов истечения струй
ДУ вдоль оси телескопа (в результате
их отражения от панели СБ) показаны
на рис. 1.2.9. Расчетные данные для
ДОТ1, ДОТ2 и ДКВ1 соответствуют
кривым 1-3 (рис. 1.2.9а). На рис. 1.2.96
представлены результаты расчетов как
для среднемолекулярного состава про-
дуктов истечения струи ДКВ2 (кри-
а б
Рис. 1.2.8. Поля концентраций продуктов
истечения струй ДОТ1 и ДКВ2
вая 1), так и отдельно для N2 и Н2 (кри-
вые 2, 3).
80
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.2.9. Концентрации продуктов истечения струй ДУ после их отражения от панелей СБ
Анализ вклада струй ДУ в формирование полей концентраций п/п^ позволяет
сделать следующий вывод: максимальные значения п/п^ для различных ДУ находят-
ся на расстоянии -1-4 м от входного отверстия телескопа. В непосредственной бли-
зости от среза телескопа находится зона экранирования отраженных от СБ потоков
корпусом КА.
Наибольший поток частиц вдоль оси визирования телескопа создают струи
ДОТ1 и ДКВ1, так как отраженный от панелей СБ поток не экранируется крышкой
телескопа в ее открытом состоянии. Максимальное значение концентрации п вдоль
оси составляет величину -40% от при работе ДОТ1, а при работе ДКВ1 значе-
ние и не превосходит 30% от п^.
Как видно из представленных графиков, вклад струй различных ДУ в газодина-
мическую структуру течения в секторе обзора телескопа неодинаков и зависит от их
расположения на КА и экранирования отдельными элементами конструкции. Как
показали расчеты для орбиты полета КА «Сич-2», вклад эффектов столкновения про-
дуктов СВА с частицами набегающего потока пренебрежимо мал.
1.2.6. Применение методов молекулярной газовой динамики для решения
задач спутниковой фотометрии
1.2.6.1. Индикатрисы излучения для КА простой геометрической формы
Одной из задач спутниковой фотометрии является определение основных пара-
метров процессов свечения. Как уже отмечалось, процессы свечения, наблюдаемые
над поверхностями КА, являются одним из проявлений воздействия окружающей их
СВА. Результаты наблюдений приповерхностного свечения в окрестности различных
КА позволили предложить математическую модель свечения на высотах 100-600 км
при движении КА по теневой части орбиты [38]. Были получены выражения для
спектральной плотности энергетической светимости элемента поверхности КА
от угла падения частиц набегающего потока 0$ в зависимости от высоты орбиты А,
типа материала внешнего покрытия, его температуры и длины волны X.
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
81
Следуя этой работе, в [66] получены формулы для расчета пространственного
распределения спектральной плотности силы излучения (индикатрис рассеяния) КА
различных геометрических форм. Зависимость А/ед имеет вид:
4a=4°a(cos0s)", (1.2.34)
где - спектральная плотность энергетической светимости элементарной по-
верхности КА при прямом попадании на нее частиц набегающего потока (0$ = 0) с
размерностью Вт-м"2-мкм-1. Коэффициента в формуле (1.2.34) изменяется в интер-
вале от 1 до 3 при увеличении высоты полета КА от 100 до 600 км.
Для зависимости (1.2.34) свечение плоского элемента характеризуется выра-
жением:
F
(COS0S) COS0B,
Л
(1.2.35)
где F - площадь элемента; 0В - угол между
осью Z и направлением на наблюдателя
(рис. 1.2.10) в предположении, что наблюда-
тель находится на бесконечно большом уда-
лении от КА вдоль вектора визирования гв;
05 - угол между осью Z и направлением
движения КА. При таких предположениях
в [66] получены формулы для силы излуче-
ния КА сферической, конической, цилинд-
рической форм.
На рис. 1.2.11 представлены результаты
расчетов нормированных индикатрис излу-
чения 4л(0В)/Лл(0в)|тах ДЛЯ КА раЗЛИЧНОЙ
Рис. 1.2.10. Системы координат
конфигурации [66]. Сплошной линией показаны результаты расчетов для орбит в
области нижней границы указанного высотного диапазона, а крестиками - вблизи
верхней его границы. Как и следовало ожидать, по своему виду кривые близки друг к
Другу, однако значения нормировочных констант 4д(0в)| тах для п = 1 и для п = 3 в
(1.2.34)—(1.2.35) существенно различаются. Так, для сферы они равны О,бС и 0,3967
соответственно; для конуса - 0,5436 и 0,1569; для цилиндра - 0,5 и 0,375.
Рис. 1.2.11. Индикатрисы излучения для КА различной формы: а - сфера (R = 1 м; 0$ = ф$ = фв = 0);
б - конус (//= 1 м; а = 38,7°; 0$ = ф$ = фв = 0); в - цилиндр (// = R = 1 м; 0$ = л/2; ф$ = фв = 0)
82 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.2.12. Расчетная схема базового блока
орбитальной станции «Мир»
М°у для заданной высоты опбиты h. типа
1.2.6.2. Индикатрисы излучения КА сложной формы
Рассмотрим задачу расчета индикатрисы излучения (свечения) КА с развитыми
элементами конструкций, по своей форме близкого к базовому блоку орбитального
комплекса «Мир» (рис. 1.2.12).
При решении задачи используются
следующие начальные условия и пред-
положения:
• направление потока Voo известно
и задано вектором г$ в связанной
с КА системе координат;
• направление визирования (на-
блюдения) задано вектором гв
(см. рис. 1.2.10);
• спектральная плотность энерге-
тической светимости элементар-
ной площадки поверхности КА
задается выражением (1.2.35).
Используя соответствующие значения
материала поверхности, ее температуры и длины волны X [66], найдем зависимость
силы излучения КА Дд от направления вектора визирования гв путем численного
интегрирования локальных характеристик свечения по всей поверхности КА:
(Фв > 0В) = - М (cos es )" cos QBdF,
где dF - площадь элементарной площадки поверхности F, по которой ведется интег-
рирование; 05 - угол между внешней нормалью п к площадке и вектором г5, направ-
ленным противоположно набегающему потоку; 0В - угол между внешней нормалью
п и вектором гв, направленным по линии визирования.
В процессе численного интегрирования по условиям cos0B>O и cos0s>O отбрасы-
ваются элементарные площадки, которые находятся в тени (эффект самозатенения).
При использовании техники, предложенной в [49-52] для определения аэро-
динамических характеристик КА произвольной формы с учетом взаимного затенения
элементов конструкции, расчет индикатрис излучения
поверхностей таких аппаратов для любых направле-
ний векторов г$ и гв не вызывает трудностей.
На рис. 1.2.13 приведены результаты расче-
тов нормированной индикатрисы излучения КА
Лл(фв)/Лл(0в)|тах с учетом эффектов взаимного зате-
нения одних элементов конструкции другими (штри-
ховая линия) и без учета (сплошная линия) для п = 1 в
формуле (1.2.34) при 0$= 0В = л/2; <ps = л/4.
Как видно из приведенного графика, эффекты эк-
ранирования вносят существенный вклад в суммар-
ную индикатрису рассеяния такого КА.
90
Рис. 1.2.13. Индикатриса силы
излучения орбитальной
станции «Мир»
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВМАССОПЕРЕНОСА
83
1.2.6.З. Математическая модель свечения при взаимодействии набегающего
потока частиц с поверхностью КА
Данная модель построена на следующих предположениях [67]:
• убывание интенсивности свечения от поверхности носит экспоненциальный
характер;
• интенсивность свечения пропорциональна концентрации атомарного кисло-
рода в невозмущенной атмосфере;
• высвечиваются метастабильные молекулы, образующиеся на поверхности КА
и имеющие одно и то же среднее время жизни т;
• набегающий поток газа настолько разрежен, что столкновения отраженных от
поверхности КА молекул с молекулами набегающего потока отсутствуют.
Число частиц, высвечивающихся в единицу времени в единице объема в любой
точке х расчетного поля в окрестности КА, определяется выражением:
(1.2.36)
где dP(t,dt)- dtlx-o~tlx - вероятность того, что молекула высветится в интервале
времени dt через промежуток t после ее вылета с поверхности; - функция рас-
пределения вылетающих молекул. Интегрирование в (1.2.36) распространяется на все
значения модуля скорости | £ | и только на те направления, которые идут с поверх-
ности КА в точку х.
Задача построения алгоритмов численного моделирования светящегося слоя
вблизи элементарной площадки dF рассматривается для различных вариантов гра-
ничных условий:
• максвелловское распределение вылетающих с поверхности молекул по ско-
ростям;
• распределение по закону Ламберта (равновероятное);
• молекулы вылетают по нормали к поверхности с одинаковой скоростью.
Если функция распределения по скоростям возбужденных молекул, вылета-
ющих с поверхности, принимается максвелловской, то
1 ( £2
/.(£) = пг---итехр ~ •
г (яСг )3/2 \CJ
Параметр пг находится из условия сохранения числа Nx падающих и Nr возбуж-
денных молекул; Nr= YjNx, где Nr = nrCr/(2jiV2); Сг = 2кТ/mr - наиболее вероятная
скорость возбужденных молекул; У/ - коэффициент, изменяющийся в пределах от О
до 1 и учитывающий долю z-ой компоненты набегающего потока (в данном случае
атомарного кислорода), которая либо адсорбируется поверхностью КА, либо всту-
пает в физико-химические реакции на поверхности, приводящие к образованию
электронно-возбужденных и колебательно-возбужденных состояний. Предельное
значение У/ = 0 соответствует гипотетической ситуации, когда все частицы данного
сорта адсорбируются поверхностью КА, а при У/ = 1 переходят в возбужденное со-
стояние. Поток молекул невозмущенной атмосферы на элемент поверхности dF
определяется хорошо известными соотношениями [39]. Используя их, найдем вы-
ражение для потока возбужденных молекул Nm в точку х:
84
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
2п я/2 да -J
J J/r-e-"’V^sin0(/0(/(p, (1.2.37)
ООО т
где t = х/%; х - расстояние до элементарной площадки; - модуль скорости молекул;
0, ср - сферические координаты в точке х с полярной координатой, совпадающей с
внешней нормалью к площадке.
Методика приближенного решения уравнения (1.2.37) рассмотрена в [67]. Там же
приведены решения для двух других указанных выше случаев - распределения воз-
бужденных молекул по закону Ламберта и вылета молекул нормально к поверхности
с одинаковой скоростью U. Показано, что все три модели довольно хорошо согласу-
ются между собой при правильном выборе скоростей молекул: в модели Ламберта -
наиболее вероятной, а в односкоростной модели - U= Сгп~{/2.
Мощность высвечивания W(x) связана с N(x) простым соотношением:
W(x) = hvN(x), (1.2.38)
где h - постоянная Планка, hv - энергия кванта. В безразмерном виде выражение
(1.2.38) имеет вид
ЙДг) = ^(г)/ ( AvVre Nr (90°)//?),
где Аг(90°) - поток мстастабильных молекул с элемента поверхности, перпендику-
лярного набегающему потоку.
Помимо распределения мощности высвечивания в пространстве, представляет
интерес плотность потока излучения, приходящего из области свечения <7Q около КА
к приборам, расположенным на нем. Эта величина определяется интегралом:
J = —’°jw(r')r2drd£l
0
с размерностью Втм 2-ср В безразмерном виде имеем J = J / (Луа/л Аг(90°)/4л).
1.2.6.4. Инженерная модель расчета параметров свечения КА
Данная модель построена в [66] на базе результатов натурных исследований
свечения, полученных на КА «Atmo-
sphere Explorer» (АЕ, ДЕ) и КА «Space
Shuttle» [38].
Рассмотрим точку Р в элементе
объема dV, находящегося в конусе
зрения прибора на расстоянии г от
него (рис. 1.2.14). Светимость площадки
dF на поверхности КА создает в точке Р
светимость, равную dMe^ = Be^d&\, где
б7<х>1 = (VFcosGb/R2 - телесный угол, под
которым видна площадка dF из точки Р.
Яркость площадки Ве^ определяется
формулой [38]:
Рис. 1.2.14. Расчетная схема для определения
параметров свечения КА
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
85
Ве^=Ме^1п (1.2.39)
в предположении, что площадка dF рассеивает свет по закону Ламберта (т. е. ее
яркость постоянна во всех направлениях).
Здесь Metl = cos3 0S - спектральная плотность энергетической светимости
данной площадки, ориентированной под углом 05 к набегающему потоку (отсчитыва-
ется от нормали), а - при прямом падении на нее частиц набегающего потока
(05 = 0) с размерностью Вт-м“2-мкм-1.
Значение зависит от высоты орбиты h, типа материала поверхности, его
температуры Ts и длины волны X и хорошо аппроксимируется следующими выраже-
ниями для двух диапазонов высот [38]:
• для 100 < h < 160 км
Ме°д = 5,4 • 103 Км ехр(-8,4 • 10"2 й) ехр(1625 / Ts), (1.2.40)
• для 160 < h < 280 км
= Км Ах ехр(-3,0 • 10-2 й) ехр(1625 / Ts), (1.2.41)
где Км - коэффициент, позволяющий учитывать тип материала элемента поверхно-
сти и меняющийся от 1,0 (материалы на основе SiO2) до 0,6 (полиамид);
Ах = 3,5-loV при 0,38 < X < 1,25 мкм,
А = 5,3-10~4А,1,2 при 1,25 <Х< 1,9 мкм.
В выражении (1.2.40) принимается во внимание концентрации N2, а в выражении
(1.2.41) - концентрации атомарного кислорода О в соответствии с результатами лет-
ных экспериментов [3]. Зависимость интенсивности свечения от концентрации О
замечена на высотах вплоть до ~600 км, где предполагаемым источником свечения
являются возбужденные частицы ОН. Используя значения концентрации атомарного
кислорода из международной модели атмосферы CIRA-72 для средних условий сол-
нечной и геомагнитной активности (экзосферная температура Тэ= 1000 К), получим
выражение для в диапазоне высот 280 < h < 600 км,
МаеХ = 2,6-10‘2^А/4ехр(-1,7-10-2Л)ехр(1625/7;). (1.2.42)
С учетом (1.2.39) и (1.2.42) получим формулу для определения спектральной све-
тимости площадки dF в точке Р:
cos3 0 о cos0n
(7Л/еЛ(Р) = —--------------dF.
(1.2.43)
tiR2
Суммарная спектральная светимость Ме^(т), индуцируемая в точке Р светящейся
поверхностью в результате суперпозиции спектральных светимостей от отдельных
элементарных площадок dF, равна
п * Л2
Предположим, что элемент dV является идеальным сферическим источником с
постоянной плотностью энергии излучения, а апертурный угол прибора представляет
собой прямой круговой конус с углом 2а при вершине, тогда для схемы рис. 1.2.14
(1.2.44)
86 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
получим выражение для суммарной спектральной плотности Е потока, приходящего
на объектив прибора из области околообъектового свечения КА, в виде:
Е = j fpa(P)cos9sin9tAptZ9<7r. (1.2.45)
ООО
Суммарная угловая плотность потока в апертурном угле прибора будет равна:
г, J 2л а ао
Jd = 77 = V7i-----7 J Jf^A(P)cos9sin9(/<P4/047r. (1.2.46)
Q 2n(l-cosa) • 0J 0J
В [66] выполнено всестороннее тестирование рассмотренных моделей. Показа-
но, например, что для прибора, установленного в центре диска, угловая плотность
потока излучения к прибору, приведенная к длине волны X = 732 нм, на высоте
260 км может меняться в зависимости от уровня солнечной активности в диапазоне
103-109 релей (1 релей = 106 фотон-см“2-с-1), а на высоте 600 км - в диапазоне
106-108 релей. Там же приведены расчетные оценки свечения для КА сложной кон-
фигурации.
Представленные материалы могут быть использованы для обработки и интер-
претации результатов спектрофотометрических наблюдений свечений в верхней
атмосфере Земли на теневых участках орбит КА.
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Для расчета процессов массопереноса, ответственных за формирование СВА
КА, эффективными являются численные алгоритмы, сочетающие основные пре-
имущества метода Монте-Карло и регулярных методов решения уравнения Фред-
гольма для потока частиц. Выделение в качестве главной части процедуры числен-
ного интегрирования основных моментов функции распределения в окрестности
обтекаемого КА с учетом эффектов интерференции и взаимного затенения отдель-
ных элементов конструкции позволяет существенно понизить дисперсию вычис-
ляемых параметров в алгоритме Монте-Карло.
2. Для оптимальной организации расчетов свободномолекулярных полей течений
в окрестности КА целесообразно работать с библиотекой программ, реализующих
различные подходы. Выбор конкретного алгоритма определяется спецификой ре-
шаемой задачи, требуемой точностью расчета и имеющимися ресурсами ЭВМ.
3. Оценка уровня загрязнения контролируемых поверхностей за счет столкнове-
ний частиц газовыделения между собой и с частицами набегающего потока может
быть выполнена с помощью простой и легко реализуемой на ЭВМ модели ПМС. Эта
модель дает правильные результаты, согласующиеся с результатами, полученными
более точными методами, если корректно определены параметры течения, а диффе-
ренциальные сечения рассеяния для молекул - твердых сфер заданы в форме, учиты-
вающей различия в скоростях и массах сталкивающихся частиц.
4. Параметрические расчеты возвратных потоков на поверхность равномерно га-
зящей сферы показали, что при различных сочетаниях масс и скоростей частиц-парт-
неров по столкновениям определяемые величины могут различаться в несколько раз.
Это следует учитывать в практических расчетах, так как при столкновениях продук-
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
87
тов сублимации полимерных материалов наружных покрытий (красители, лаки, ком-
паудные смолы, наполнители и т. д.) с частицами набегающего потока их массы мо-
гут различаться на порядок.
5. Расчет ГДП в поле сверхзвуковых нерасчетных струй различных ДУ может быть
выполнен на базе кинетической модели. При этом точность результатов расчетов
можно существенно повысить, уточняя параметры на граничной поверхности, разде-
ляющей континуальный и свободномолекулярный режимы истечения струй. Кроме
того, создание банка данных для экспериментальных и точных численных значений
параметров на граничной поверхности позволяет существенно сократить время рас-
чета ГДП по всему полю течения и значительно расширить размеры расчетной об-
ласти. Основным же преимуществом такого подхода является то, что он позволяет
привлечь для решения данной задачи методы и программное обеспечение, достаточ-
но широко применяемые в различных областях динамики разреженного газа.
6. Для минимизации загрязнений оптических приборов КА следует контролиро-
вать генерирование, перенос и накопление загрязнений. В процессе проектирования
КА имеются четыре возможности управления загрязнениями [30]: выбор материалов,
проектно-конструкторские решения, специальные меры и проектные запасы. Самым
простым и эффективным средством является выбор материалов с минимальным газо-
выделением. Если возможности выбора материалов с требуемыми характеристиками
газовыделения ограничены, может потребоваться предполетная вакуумная выдержка
с целью уменьшения газовыделения на орбите. Однако, вследствие разнообразия
используемых на КА материалов (клеи, кабельные линии, краски, провода, смолы
и т. д.), полностью удалить газовыделение практически невозможно. Для эффектив-
ного контроля загрязнений в перечне используемых в составе КА материалов долж-
ны быть указаны их характеристики газовыделения.
7. На этапе аэрогазодинамичсского сопровождения процессов проектирования
КА следует уделить внимание следующим вопросам:
• анализу механизмов взаимодействия газовых частиц с поверхностями КА в
широком диапазоне энергий;
• изучению характеристик источников массоотд ел ения;
• исследованию процессов массопереноса около поверхностей КА и внутренних
негерметичных объемов при различных числах Кнудсена;
• систематизации явлений и изучению механизмов свечения КА;
• постановке специальных аэрофизических и аэрономических экспериментов по
исследованию характеристик СВА и ее проявлений;
• исследованию особенностей течения разреженных газов (смесей и химически
активных частиц) во входных устройствах различных преобразователей, пред-
назначенных для диагностики параметров СВА и научных исследований;
• разработке методов диагностики и приборного обеспечения для определения
состояния СВА, динамики се изменения, а также уровня воздействия на КА и
его системы;
• разработке методов расчета и прогнозирования параметров СВА КА на все
время его активного существования;
• созданию нормативно-технической документации для обеспечения функцио-
нирования КА в условиях повреждающего воздействия СВА.
88
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочное издание. Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия. Т. 16. В кн.: Воздейст-
вие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. М., 2000, 296 с.
2. Справочное издание. Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия. Т. 17. В кн.: Воздейст-
вие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. М., 2000, 276 с.
3. Гаррет Х.Б., Чатджян А., Гэбриел С.В. Свечение над поверхностью КЛА и его влияние на работу бор-
товых систем. Аэрокосмическая техника, 1989, № 10, с. 64-90.
4. Melfi L.T., Hueser J.E., Brock F.J. Direct simulation Monte-Carlo technique for modeling of the environ-
ment in the vicinity of the Space Shuttle orbiter. Proc. Soc. Photo-Optical Instr. Engr., 1981, v. 287,
pp. 85-94.
5. Берд Г. Молекулярная газовая динамика. М.: Мир, 1981, 319 с.
6. Robertson S.J. Bhatnagar-Gross-Krook model solution of back-scattering of outgas flow from spherical spa-
cecraft. Rarefied Gas Dynamics Techn. Rap. 10th Int. Symp. AIAA, New York, 1977, pp. 479-489.
7. Bhatnagar P.L., Gross E.P., Krook M.A. A model for collision process in gases. Phys. Review, 1954, v. 94,
No. 3, pp. 51 1-530.
8. Jarossy F.J., Pizzicaroli J.C., OwenN.L. Shuttle/payload contamination evaluation (SPACE) program im-
provements. Proc. Soc. Photo-Optical Instr. Engr., 1981, v. 287, pp. 78-85.
9. Басс В.П., Бразинский В.И. Численные алгоритмы для расчета процессов массопереноса. Журнал вы-
числительной математики и математической физики, 1988, т. 28, с. 1078.
10. Басс В.П., Бразинский В.И. Расчет газодинамических параметров в окрестности тел, обтекаемых сво-
бодномолекулярным потоком. Изв. АН СССР. Механ. жидкости и газа, 1982, № 4, с. 177-180.
11. Басс В.П., Бразинский В.И. Численное моделирование процессов массопереноса в окрестности тел
сложной геометрической формы (СГФ). В кн.: Труды VIII Всесоюзной конференции по динамике раз-
реженных газов (Аэродинамика, тепло- и массообмен в разреженном газе). М., 1987, с. 36-40.
12. Басс В.П. Газодинамические аспекты формирования собственной атмосферы космических аппаратов,
движущихся в верхних слоях атмосферы. Наблюдения искусственных спутников Земли (Публикации
научных результатов сотрудничества Интеркосмос). М.: Астрономический совет СССР, 1986, №24,
с. 158-179.
13. Басс В.П., Бразинский В.И. Влияние параметров собственной атмосферы на функционирование лета-
тельных аппаратов. Наблюдения искусственных небесных тел. М., 1984, № 81, с. 87-99.
14. Бразинский В.И. Расчет параметров собственной атмосферы в окрестности летательных аппаратов
сложной формы. В кн.: Прикладные вопросы аэродинамики летательных аппаратов. Киев: Наук, дум-
ка, 1984, с. 50-54.
15. Басс В.П. Результаты численных и экспериментальных исследований в области молекулярной газовой
динамики и их приложения. Техническая механика, 2001, № 1, с. 63-85.
16. Patrick T.I. Space environment and vacuum, properties of spacecraft materials. Vacuum, 1981, v. 31. No 8/9,
pp. 351-357.
17. Барейсс Л.Э. Метод расчета параметров собственной внешней атмосферы орбитальной станции
Спейслэб. Ракетная техника и космонавтика, 1979, с. 97-108.
18. Scialdone J.J. Self-contamination and environment of an orbiting satellite. J. Vac. Sci. Technol, 1972, v. 9,
No 2, pp. 1007-1015.
19. Бургасов М.П., Душин В.К., Можаева Н.А., Романовский Ю.А. Модели процессов массопереноса у по-
верхностей летательных аппаратов, влияющих на формирование его собственной внешней атмосферы.
В кн.: Прикладные вопросы аэродинамики летательных аппаратов. Киев: Наук, думка, 1984, с. 16-20.
20. Рыжов Ю.А., Бургасов М.П., Кузовкин К.Н., Свирщевский С.Б. О методах расчета параметров собст-
венной внешней атмосферы космических аппаратов. Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции
по динамике разреженных газов. М., 1986, с. 107.
21. Варакин Г.К. Динамика собственной внешней атмосферы при газовыделении поверхности летатель-
ных аппаратов. Труды VIII Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов (Аэродинамика,
тепло- и массообмен в разреженном газе). М., 1987, с. 16-21.
22. Harvey R.L. Spacecraft neutral self-contamination by molecular outgassing. I. Spacecraft and Rockets, 1976,
v. 13, pp. 301-305.
ГЛАВА 1.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
89
23. Hueser I.E., Brock F.I. Theoretical analysis of the density within au orbiting molecular shield. I. Vac. Sci.
Technology, 1976, v. 13, No 3, pp. 702-710.
24. Михневич В.В., Кринберг Н.А., Яичников Л.П. Неоднородность параметров собственной атмосферы
ИСЗ. Солнечные атмосферные связи и геомагн. активность. М., 1984, с. 113-117.
25. Allegre J., Raffin М., Lengrand J.C. Experimental study of the plume impingement associated with rocket sta-
ge separation. J. Spacecraft, 1986, v. 23, No. 4, pp. 368-372.
26. Lengrand J.C., Allegre J., Raffrn M. Rocket exhaust plums issued from scarfed nozzles. 17th Int. Simp, on
Rarefied gas Dynamics. 1990, pp. 947-954.
27. Koppenwallner G. Low density aerodynamics of satellites. 13th Int. Symposium on Rarefied gas Dynamics.
Plenum Press, New York, 1985, v. 1, pp. 385-399.
28. Бораас С. Загрязнение поверхности КЛА при истечения струи из сопла с косым срезом. Аэрокосмиче-
ская техника, 1989, № 1,с. 18-27.
29. Cheoux-Damas Р., Koeck С. Application manual MATRA ESPACE «ESABASEIPLAM». Toulouse, 1989,338 p.
30. Final report NASA «Contamination Control Engineering Design Guidelines for the Aerospace Community»
(Contract NAS5-32876). Principal investigator dr. Alan Tribble, 1996, 199 p.
31. Дулов В.Г., Лукьянов Г.А. Газодинамика процессов истечения. Новосибирск: Наука, 1984, 223 с.
32. Лукьянов Г.А., Силантьев В.А. Об истечении газа в вакуум. Изв. АН СССР. Сер. МЖГ, 1968, №5,
с. 146-14.
33. Орлова Л.В., Печерица Л.Л. Расчет газодинамических параметров потока сильно недорасширенных
струй. Прикладные вопросы аэрогазодинамики. Киев: Наук, думка, 1987, с. 23-28.
34. Басс В.П., Печерица Л.Л. Расчет газодинамических параметров в поле нерасчетной струи при наличии
преград различной формы. Космическая наука и техника, 1992, № 6, с. 8-13.
35. Печерица Л.Л. Исследование полей течений нерасчетных струй и их взаимодействие с поверхностями
космических аппаратов. Техническая механика, 1997, вып. 6. Днепропетровск: ИТМ, с. 91-94.
36. Абрмовская М.Г., Басс В.П., Перминов В.Д. и др. Пакет прикладных программ «Высота-2». Описание
применения. М.: ОФАП МАП, 1990, 175 с.
37. Yee J.-H., Dalgamo A. Radiative lifetime analisis of the shuttle optical glow. J. of Spacecraft and Rockets,
1986, v. 23, №6, p. 635-640.
38. Васильев B.H., Мишин Г.С. Свечение космических аппаратов различных геометрических форм на
теневых участках орбиты и возможность его регистрации наземными средствами. Космонавтика и ра-
кетостроение. М.: Изд-во ЦНИИмаш, 1994, № 2, с. 72-78.
39. Кошмаров Ю.А., Рыжов Ю.А. Прикладная динамика разреженного газа. М.: Машиностроение, 1977, 184 с.
40. Свирщевский С.Б., Гришин В.К. Поле плотности около тела в свободномолекулярных условиях. В кн.:
Вопросы аэродинамики летательных аппаратов. М.: МАИ, 1979, с. 38-48.
41. Elliot I.P. Density and Velocity fields in collisionless flow past a diffusely reflecting cone. Canadian Journal
of Physics, 1970, v. 48, No 13, pp. 1803-1805.
42. Ларина И.Н. Поле плотности вокруг конуса в свободномолекулярном потоке. Изв. АН СССР, МЖГ,
1968, №4, с. 172-176.
43. Kraemer К. Gas stromungsfeld der kugel bei unendlich groper Knudsenzall. ZAMM, 1967, v. 47, Souderheft,
p. 150-153.
44. Коган М.Н. Динамика разреженного газа. М.: Наука, 1967, 440 с.
45. Басс В.П., Бразинский В.И. Расчет параметров разреженного газа, возмущенного симметрично враща-
ющимся в нем телом. Аэродинамика и нестационарный теплообмен. Киев: Наук, думка, 1983, с. 58-62.
46. Басс В.П., Бразинский В.И. Анализ методов расчета свободномолекулярных полей течений. Приклад-
ные вопросы аэрогазодинамики. Киев: Наук, думка, 1987, с. 10-16.
47. Альперт Я.Л., Гуревич А.В., Питаевский Л.П. Искусственные спутники в разреженной плазме. М.: Наука,
1965,384 с.
48. Баранцев Р.Г. Взаимодействие газов с обтекаемыми поверхностями. М.: Наука, 1975, 344 с.
49. Басс В.П., Ковтуненко В.М., Чепурной В.Н. К определению аэродинамических характеристик тел слож-
ной формы в свободномолекулярном потоке с учетом затенения. Космические исследования, 1973,
т. XII, № 1,с. 3-43.
90 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
50. Басс В.П. Об одном алгоритме для комплексного исследования аэродинамических характеристик кос-
мических аппаратов. Космические исследования на Украине. Киев: Наук, думка, 1977, вып. И,
с. 11-17.
51. Абрамовская М.Г., Басс В.П. Учет эффектов экранирования в алгоритмах численного моделирования
свободномолекулярных течений. Аэродинамика, тепло- и массообмен в разреженном газе. Труды VIII
Всесоюзной конфененции по динамике разреженных газов. М., 1987, с. 41-45.
52. Абрамовская М.Г., Басс В.П., Перминов В.Д., Шведов А.В. О некоторых усовершенствованных алго-
ритмах расчета аэродинамических характеристик летательных аппаратов в свободномолекулярном по-
токе. Динамика разреженного газа и молекулярная газовая динамика, 1990, вып. 2436. М.: Изд. отдел
ЦАГИ, с. 68-74.
53. Малоземов В.В. Тепловой режим космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1980, 232 с.
54. Андроников Б.И., Брук А.Г., Дудев А.А., Мазия Л.В. Определение внешних тепловых нагрузок на при-
боры ИСЗ наружной установки с учетом затенения. Научное и космическое приборостроение. М.: Наука,
1981, с. 72-79.
55. Закиров М.А. Исследование внутренних и внешних свободномолекулярных течений около произволь-
ной группы тел. Труды. ЦАГИ. М., 1972, № 1411, с. 73-146.
56. Перепухов В.А. Применение метода Монте-Карло в динамике сильно разреженного газа. Труды ЦА-
ГИ, 1972, вып. 1411, с. 54-72.
57. Haviland I.K. The solution of two molecular flow problems by the Monte-Carlo method. Meth. Comput.
Phys., 1965, v. 4, pp. 109-209.
58. Власов В.И. Консервативный вариант метода пробных молекул (Монте-Карло). В кн.: Труды VIII
Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов (Численные и аналитические методы в ди-
намике разреженных газов). М., 1986, с. 81-85.
59. Власов В.И. Улучшение метода статистических испытаний (Монте-Карло) для расчета течений разре-
женного газа. Докл. АН СССР, 1986, т. 167, № 5, с. 1016-1018.
60. Мирончук Н.С., Усков В.И. Определение параметров сверхзвуковых осесимметричных струй невязко-
го совершенного газа, истекающих в затопленное пространство или вакуум. Программа ОФАП АСП,
1977, per. № 205, 119 с.
61. Roberts L. The action of hypersonic jet on a dustlayer. IAS Paper, 1963, 63/50, p. 250.
62. Басс В.П., Печерица Л.Л. Расчет силового воздействия сильно недорасширенных струй на находящие-
ся в них тела сложной формы. ОФАП САПР, п/я М-5539, 1983, 151 с.
63. Bird Е.А. Spacecraft outgas ambient flow interaction. J. Spacecraft and Rockets, 1981, 18, № 1, p. 31-35.
64. Власов В.И., Жестков Б.Е., Омелик А.И. Собственная атмосфера вблизи орбитального аппарата и
моделирование условий на его поверхности. В кн.: Труды VI Всесоюзной конференции по динамике
разреженного газа. Новосибирск: Ин-т теплофиз., 1980, т. 2, с. 159-164.
65. Басс В.П., Доценко О.В., Печерица Л.Л., Тарасов В.Б. Исследование процессов массопереноса в окре-
стности оптического телескопа космического аппарата «Сич-2» на этапе проектирования. Техническая
механика, 2004, вып. 1, с. 76-85.
66. Басс В.П., Заблуда С.М., Смелая Т.Г. Расчет фотометрических характеристик космических аппаратов
различных геометрических форм. Техническая механика, 1998, вып. 8, с. 18-24.
67. Басс В.П., Бразинский В.И., Фридлендер О.Г., Заблуда С.М. Физические и математические модели по-
верхностного свечения космических аппаратов. Техническая механика, 1998, вып. 8, с. 7-18.
ГЛАВА 1.3
ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ
ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОКРЕСТНОСТИ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И НА ИХ ПОВЕРХНОСТИ
Абрамовская М.Г., Аксютенко А.Н., Басс В.П., Ефимов Ю.П.
Институт технической механики НАН Украины и НКА Украины
Список сокращений
КА космический аппарат
СБ солнечная батарея
СВА собственная внешняя атмосфера
УФ ультрафиолетовое излучение
ЭВТИ экранно-вакуумная теплоизоляция
ВВЕДЕНИЕ
Основными задачами экспериментальных лабораторных исследований в облас-
ти механики разреженного газа применительно к космическим полетам являются:
создание установок, в которых моделируются соответствующие условия обтекания
космических аппаратов (КА); разработка методов и оборудования для диагностики
потоков разреженного газа в рабочих камерах; создание методов измерения ло-
кальных и интегральных силовых и тепловых потоков на поверхности исследуемых
моделей.
Развитие численных методов решения уравнения Больцмана ставит перед экспе-
риментаторами задачу измерения функции распределения скоростей молекул при
любой степени неравновесности. С этим тесно связана задача экспериментального
92
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
изучения сечений рассеяния и потенциалов взаимодействия между сталкивающимися
атомами и молекулами разреженного газа.
Современная техника и экспериментальные методы изучения динамики разре-
женного газа сложны и довольно специфичны. Достигнутый уровень точности экс-
периментов, как правило, соответствует точности численных решений уравнения
Больцмана и его модификаций. Экспериментальные методы позволяют не только
получать достоверные данные и успешно решать многие прикладные задачи, но и
использовать эти данные в качестве эталонных значений при разработке и создании
соответствующих расчетных моделей и алгоритмов.
Постановка различных физических и аэрономических экспериментов в космосе
требует соответствующей калибровки бортовых измерительных систем и аппарату-
ры в наземных условиях. При этом немаловажное значение имеет адекватное моде-
лирование орбитальных условий полета, в первую очередь, по скоростям набегаю-
щего потока.
В настоящее время все чаще при проектировании КА с большими временами
активного существования используются космические платформы негерметичного
исполнения. В этой связи важная роль отводится экспериментальным исследовани-
ям газодинамических процессов в негерметичных отсеках КА.
1.3.1. Лабораторные методы и средства моделирования условий полета КА
в верхних слоях атмосферы Земли
Вакуумные аэродинамические трубы широко применяются в исследованиях
течений разреженного газа и при моделировании условий полета КА на больших
высотах. Конструкция элементов трубы и ее общая компоновочная схема в значи-
тельной степени определяются принципом ее действия и параметрами рабочего
потока для моделирования соответствующего режима обтекания. По принципу
действия различают трубы кратковременного и непрерывного (или периодиче-
ского) действия [1]. К трубам кратковременного действия относятся импульсные
(продолжительность их рабочего режима равна 50-200 мс) и ударные (продолжи-
тельность рабочего режима до 5 мс). Трубы кратковременного действия использу-
ются, главным образом, для моделирования гиперзвукового обтекания аппаратов
при небольших степенях разрежения. Устройство импульсных труб подробно опи-
сано в монографии [2]. Теория и практика использования ударных труб освещена в
работе [3].
Вакуумные аэродинамические трубы непрерывного действия делят на трубы с
небольшими числами Маха (М< 5) и гиперзвуковые (М> 5). В зависимости от пара-
метров торможения рабочего потока различают трубы с умеренными и высокими
значениями полной энтальпии рабочего потока. В первом случае температуры тор-
можения потока То не превышают 1 000 К, а во втором достигают 7 000 К. Наконец, в
зависимости от типа откачной системы различают трубы с эжекторными насосами
(позволяющими достигать давлений в рабочем потоке рж > 1 Па), с диффузионными
паромасляными (в сочетании с механическими) вакуумными насосами (рх > 0,1 Па) и
с криогенными вакуумными насосами (рх < 0,1 Па).
ГЛАВА 1.3
ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ...
93
Весь диапазон режимов обтекания, характерных для практики полетов различных
КА, реализовать в одной трубе практически невозможно. С помощью одной экспе-
риментальной установки трудно осуществить полное моделирование в условиях ги-
перзвукового обтекания моделей, поскольку кроме чисел Маха и Рейнольдса (Re)
необходимо воспроизводить высокое значение энтальпии потока. Совмещение этих
условий в одной установке требует решения сложных технических задач. Обычно
каждая аэродинамическая труба позволяет воспроизводить лишь узкую область ре-
жимов течения и осуществлять лишь частичное моделирование.
Для получения информации о течениях в широкой области динамики разрежен-
ных газов используются целые комплексы аэродинамических установок. Характер-
ным в этом отношении является вакуумный аэродинамический комплекс Института
теплофизики СО РАН [4].
Основными элементами вакуумных аэродинамических труб являются: а) система
подачи (натекания) рабочего газа; б) нагреватель газа; в) рабочее сопло; г) рабочая
(измерительная) камера, в которой размещаются модель и преобразователи диагно-
стической аппаратуры; д) вакуумная насосная система. Устройство и тип каждого из
элементов трубы в значительной степени зависят от величин воспроизводимых пара-
метров рабочего потока (М, Re и т. д.) и от требуемых поперечных размеров потока
(т. е. от расхода рабочего газа). Описание ряда зарубежных установок такого типа,
методов и средств проведения экспериментов можно найти в работах [1,5].
Для создания свободномолекулярных потоков со скоростью ~8 км-с"1 и выше
применяются молекулярные пучки, получаемые с помощью источников ионно-
плазменного типа. В этих установках ионы ускоряются под действием электриче-
ского поля. Затем осуществляется их перезарядка поперечной струей нейтрального
газа, пучком электронов или спутным потоком газа.
При моделировании натурных условий на высотах более 200 км одним из основ-
ных является вопрос о влиянии адсорбированных на поверхности молекул. При по-
летах КА в верхних слоях атмосферы существует несколько факторов, приводящих к
образованию на поверхности адсорбционных слоев: сохранение на поверхности ада-
томов, захваченных на Земле или в нижних слоях атмосферы; диффузия газа из внут-
ренних отсеков аппарата; диффузия к поверхности газов, растворенных в материале
обшивки аппарата; захват молекул из окружающей атмосферы; захват молекул рабо-
чего вещества двигателей при их включении на орбите. Вместе с тем имеются меха-
низмы, приводящие к разрушению адсорбционных слоев: удаление атомов, связан-
ное с возможным нагревом аппарата; распыление атомов набегающим потоком
газа; удаление атомов под действием корпускулярных потоков космического про-
странства и солнечного излучения, в том числе отраженного от поверхности и ат-
мосферы Земли. Следует отметить, что вопросы моделирования состояния поверх-
ности, отвечающего условиям открытого космоса на высоте полета спутников, оста-
ются в значительной мере нерешенными. Трудности воспроизведения натурных
условий в полном объеме при помощи наземных газодинамических установок за-
ставляют обращаться к идее организации научных лабораторий на борту КА.
С вопросами моделирования тесно связан вопрос об измерительной технике. Ме-
тоды и техника измерения параметров потока разреженного газа, аэродинамических
94
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
сил и тепловых потоков в условиях больших разрежений отличаются значительным
разнообразием. Для измерения скорости потока широко используются насадки пол-
ного давления, для измерения температуры - термоэлектрические термометры, для
измерения аэродинамических сил - торсионные весы, для измерения тепловых пото-
ков - методы регулярного режима и т. д. Указанные выше методы являются традици-
онными для аэромеханики сплошносредных течений. В условиях разреженных газов
расшифровка показаний насадков и термопарных зондов требует учета особенностей
течений разреженного газа. Трудности измерения сил и тепловых потоков обуслов-
лены их малыми значениями. В экспериментальной практике часто используется
времяпролетный метод диагностики потоков разреженного газа с модуляцией потока
механическими прерывателями и электронными пучками.
1.3.2. Экспериментальные исследования на вакуумной аэродинамической
установке ВАУ-2М
Вакуумная аэродинамическая установка ВАУ-2М с системой криогенной откач-
ки Института технической механики Национальной академии наук Украины и
Национального космического агентства Украины была введена в эксплуатацию в
1988 г. [6].
На данной установке получен ряд новых результатов, касающихся:
• определения коэффициентов обмена импульсом и индикатрис рассеяния сверх-
звуковых нейтральных потоков на основных конструкционных материалах
внешних покрытий КА (сплав АМГ-6, экранно-вакуумная теплоизоляция
(ЭВТИ), фрагмент солнечной батареи (СБ), эмаль АК-12);
• измерения эффективных сечений рассеяния атомов и молекул разреженного га-
за при столкновениях в диапазоне средних энергий взаимодействия (~10 эВ);
• статических и динамических испытаний негерметичных отсеков КА, бортовой
научной и служебной аппаратуры.
1.3.2.1. Схема и основные технические характеристики установки
Общая схема установки ВАУ-2М приведена на рис. 1.3.1.
Установка представляет собой конструкцию, состоящую из рабочей камеры 1, к
торцевым фланцам которой пристыкованы с одной стороны камера источника 11, а с
другой - вакуумный коллектор 14. Рабочая камера изготовлена из нержавеющей ста-
ли Х18Н10Т и выполнена в форме цилиндрической оболочки с внутренним диамет-
ром 1,3 м и длиной 1,9 м. К рабочей камере присоединен турбомолекулярный насос
(ТМН-200) 13. Коллектор 14 выполнен в форме цилиндра диаметром 0,9 м, на боко-
вой поверхности которого имеются четыре радиально расположенных фланца для
подсоединения двух высоковакуумных агрегатов (АВП-8) 12, одного паромасляного
диффузионного насоса Н-8Т с затвором и гелиевого заливного криоконденсационно-
го насоса 9. Свободный торец коллектора используется для загрузки и монтажа в ра-
бочую камеру крупногабаритного экспериментального оборудования. Камера источ-
ника 11 имеет форму цилиндра диаметром 0,5 м. На ее боковой поверхности имеются
ГЛАВА 1 3
ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ...
95
Рис. 1.3.1. Схема установки ВАУ-2М: 1 - рабочая камера; 2, 3 - автоматизированная система
измерения и управления экспериментом (КАМАК, ПК); 4 - гелиевый течеискатель ПТИ-7;
5 - блок питания плазменного ускорителя; 6 - пульт газоснабжения ускорителя; 7 - лазер
газовый ЛГ-75-1; 8 - индукционный плазменный ускоритель с перезарядкой; 9 - криогенный
вакуумный насос; 10 - форвакуумный насос ВН-6МГ; 11 - камера ускорителя;
12 - высоковакуумный агрегат АВП-8; 13 - турбомолекулярпый насос ТМН-200;
14 - вакуумный коллектор; 15 - цистерна с жидким азотом ЦТК-1/0,25; 16 - установка
криогенная гелиевая КГУ-150/4,5; 17 - координатное устройство;
18 - модулятор ускоренного потока; 19 - объект исследования
несколько радиально расположенных фланцев. К двум из них присоединены высоко-
вакуумные агрегаты АВП-8. С помощью одного из фланцев камера источника при-
соединена к рабочей камере, а на противолежащем фланце смонтированы элементы
индукционного плазменного ускорителя. К торцевому фланцу камеры присоединен
гелиевый заливной криоконденсационный насос 9. В камере источника может быть
размещено различное экспериментальное оборудование (координатные устройства,
модуляторы, детекторы и т. д.). Диффузионные паромасляные насосы снабжены
криоловушками, охлаждаемыми с помощью жидкого азота. Все оборудование аэро-
динамической установки ВАУ-2М, за исключением форвакуумных насосов, установ-
лено на подвижной платформе
Работоспособность криовакуумных конденсационных насосов обеспечивается
комплексом криогенного оборудования (КГУ-150/4,5) 16, включающего: детандер
поршневой ДПГ4-24/02, гелиевый компрессор, блок очистки гелия, компрессор во-
дородный 1ВУВ-45/150 и др. Криогенно-гелиевая установка КГУ-150/4,5 может ра-
ботать в двух режимах. Один из режимов позволяет получать газообразный гелий
96
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.3.2. Индукционный плазменный
ускоритель
(высокой степени очистки) с последующим его
накоплением в сосудах СТГ-40 или цистер-
не 15, из которых жидкий гелий подается не-
посредственно в объем вакуумного криокон-
денсационного насоса. Отработанный гелий в
газообразном состоянии утилизируется в газ-
гольдере. Предварительное охлаждение эле-
ментов криоустановки и криоэкранов осуще-
ствляется жидким азотом, хранящимся в
транспортном контейнере. Второй режим ра-
боты криоустановки - рефрижераторный, по-
зволяющий охлаждать панель криоконденсационного насоса парами гелия до темпе-
ратуры 20 К.
По своим параметрам установка ВАУ-2М не уступает лучшим зарубежным
установкам замкнутого типа, работающим по рефрижераторному циклу [6-8]. На
данной установке молекулярный пучок аргона с энергией в диапазоне 7-17 эВ по-
лучен путем перезарядки плазменной струи индукционного плазменного ускорите-
ля с магнитным соплом [6] (рис. 1.3.2).
Описание работы ускорителей такого типа дано в [9, 10]. Скорости частиц в пото-
ке измерены с помощью времяпролетного метода. Их значения получены из анализа
времяпролетных спектров метастабильных атомов свободномолекулярного пучка,
которые, в известной мере, отображают функцию распределения нейтральных частиц
по скоростям. В качестве детектора, регистрирующего потоки метастабильных ато-
мов, использовался вторичный электронный умножитель.
По времяпролетным спектрам определены зависимости газодинамических пара-
метров свободномолекулярного пучка от тока соленоида магнитного сопла и расхода
Таблица 1.3.1
Технические параметры установки ВАУ-2М
Параметр Единица измерения Значение параметра
Объем рабочей камеры м3 3,0
Объем камеры источника м3 0,5
Давление в рабочей камере торр 5-10’6-510’5
Давление в камере источника торр sio-’-sio-4
Скорость откачки рабочей камеры л-с-1 8103
Скорость откачки камеры источника л-с-1 6103
Среднемассовая скорость потока м-с-1 4103-8103
Степень ионизации потока Ю^-Ю"6
Расходимость потока град. 3
Диаметр ядра в рабочей камере м 0,1
ГЛАВА 1.3
ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ...
97
рабочего газа (аргона). Показано, что наиболее вероятная скорость метастабильных
атомов в потоке может варьироваться от 5 до 10 км-с"1. Некоторые конструкционные
изменения ускорителя позволяют увеличить интенсивность потока и расширить диа-
пазон скоростей до 17 км-с"1. Кроме того, ускоренные потоки можно создавать на
различных газах и их смесях, моделируя тем самым не только энергетические пара-
метры, но и молекулярный состав верхней атмосферы. Оснащение данной установ-
ки ускорителем, обеспечивающим нейтральный поток частиц со скоростями, близ-
кими к натурным условиям полета, выгодно отличает ее от аналогичных установок,
описанных в [1, 11]. Основные параметры установки приведены в табл. 1.3.1.
1.З.2.2. Измерение коэффициентов обмена импульсом
Данные лабораторных экспериментов
В зависимости от требований, предъявляемых к аэродинамическому обеспечению
КА, могут быть использованы различные уровни описания обмена количеством дви-
жения между частицами набегающего потока и обтекаемыми поверхностями: на
уровне потенциалов взаимодействия, функции рассеяния и коэффициентов обмена
[12]. Для определения интегральных силовых характеристик более удобно поль-
зоваться коэффициентами обмена. Существует ряд практических задач, которые тре-
буют знания функции рассеяния. К их числу относятся: исследования процессов
массопереноса в окрестности КА; определение дополнительных возмущающих мо-
ментов, обусловленных переотражением частиц от элементов конструкции; создание
высокоточных систем ориентации и стабилизации и ряд других задач.
Остановимся на результатах экспериментов по измерению коэффициентов обмена
импульсом и индикатрис рассеяния потоков массы на моделях, изготовленных из
основных конструкционных материалов внешних покрытий КА [13]: алюминиево-
магниевого сплава АМГ-6; стеклоткани, используемой в качестве ЭВТИ; кварцевого
стекла, являющегося фрагментом элемента СБ; алюминиевого сплава, покрытого
эмалью типа АК-12, и др.
Значения нормальной Рп и касательной составляющих импульса определя-
лись в процессе проведения экспериментов по формулам:
Р/(0) =
2г/(е>,
Р ооКо
Р/(0) =
2F/(0)
Poo Ко
где FnM, FXM - нормальные и касательные напряжения, действующие на модель в за-
висимости от ее ориентации относительно вектора скорости набегающего потока
задаваемой углом 0 (отсчитывается от нормали); р00К002/2 - скоростной напор набе-
гающего потока; Ам- площадь миделевого сечения.
Мишени, изготовленные из сплава АМГ-6, ЭВТИ и покрытия АК-12, представля-
ли собой диски размером D « 50 мм и толщиной кромки ~0,3-0,8 мм (рис. 1.3.3а-в).
Фрагмент СБ выбран в виде прямоугольника с размерами 40 х 30 мм2 (рис. 1.3.3г).
Силовые измерения выполнены с помощью однокомпонентных крутильных ве-
сов компенсационного типа [6]. Скоростной напор измерялся насадком полного
давления, изготовленным в виде полого конуса с углом полураствора -12°. Полу-
98
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.3.3. Испытывавшиеся образцы материалов
ченные зависимости коэффициентов Рпм и Ргм от угла атаки для пластин, изготов-
ленных из упомянутых выше материалов, представлены на рис. 1.3.4. Значками на
графиках нанесены результаты измерений коэффициентов Рпм (рис. 1.3.4а) и Рхм
(рис. 1.3.46) для различной ориентации мишени относительно вектора скорости
набегающего потока. Практически удалось измерить Рпм в диапазоне углов от 0°
до 80° и Ргм в диапазоне углов от 10° до 80°. Образец СБ представлял собой пе-
Рис. 1.3.4. Зависимости коэффициентов
Рпм и Рхм от угла атаки для образцов
различных материалов
риодическую «ступенчатую» структуру
(рис. 1.3.3г), поэтому измерения аэроди-
намических коэффициентов проводились
в трех положениях (СБ-1,2,3) в зави-
симости от ориентации образца относи-
тельно вектора скорости набегающего
потока Voo. Линиями на рис. 1.3.4 показа-
ны результаты расчетов по формулам ги-
перзвукового приближения:
Рп = 2(2 - а„) cos2 0, Рх = 2ат cos 0 sin 0.
Ha рис. 1.3.4a сплошная линия соот-
ветствует расчетам для коэффициента ак-
комодации нормальной составляющей им-
пульса [8] ап = 0,85, пунктир - ал = 0,95.
На рис. 1.3.46 сплошной линией нанесены
результаты расчетов для коэффициента
аккомодации касательной составляющей
импульса ат = 1, пунктирной - для
ат = 0,8. В экспериментах и расчетах из
значений определяемых величин вычитал-
ся вклад передних кромок мишеней.
Для ЭВТИ диффузный характер отра-
жения в поведении коэффициента Рхм
(ат~ 1) наблюдается на всех углах атаки.
Отклонение от полностью диффузной
схемы отражения заметно при рассеянии
набегающего потока на мишенях, изго-
товленных из сплава АМГ-6 и из фраг-
ГЛАВА 1.3
ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ...
99
мента СБ. Близок к диффузному характер отражения от эмали АК-12, имеющей
аморфную структуру. Результаты измерений коэффициента Рхм на всех углах атаки
для рассмотренных поверхностей лежат в диапазоне значений, соответствующих из-
менению коэффициента аккомодации касательной составляющей импульса в преде-
лах 0,8-1,0. В диапазоне углов 0<0<20° коэффициент Рхм практически не зависит
от материала мишени. Для фрагмента СБ на углах атаки 0 > 45° коэффициент Рхм за-
висит от ориентации направленной шероховатости мишени по потоку. Относитель-
ный разброс результатов измерений в данном случае достигал величины 30%.
Для распространения экспериментальных значений коэффициентов Р„м и Рхм
пластин из различных конструкционных материалов на натурные условия полета
данные, приведенные на рис. 1.3.4, необходимо пересчитать по формулам:
Р„ =~Г^(Qexp(-S02) + ^(l + 592)(l + erfS9)] + P" -2cos20,
y/ltS \ )
Рт =^^x(S9) + ^W-2cosOsin0; 5e=5cos0,
у 7Т S
учитывающим с помощью молекулярного числа Маха S влияние максвелловского
распределения молекул верхней атмосферы по скоростям [6].
Угловые зависимости Рпм и Рхм9 представленные на рис. 1.3.4, использовались для
определения коэффициентов сопротивления сфер:
Qi = J(^M c°s0 + р" sinQ)dA.
A
Полученные данные хорошо согласуются с результатами численных расчетов ко-
эффициента Сх сферического спутника для трехлепестковой схемы взаимодейст-
вия [14]. Результаты экспериментов показывают, что покрытие из стеклоткани, ис-
пользуемое в качестве ЭВТИ, может служить как эталонная диффузно отражающая
поверхность (Сх«2,1). Уменьшение же Сх сферы, изготовленной из сплава АМГ-6,
до значения Сх« 1,9 обусловлено квазизеркальным характером отражения частиц
набегающего потока от этого покрытия при больших углах падения.
Проверка результатов экспериментов в условиях космического полета
Экспериментальные данные, полученные на установке ВАУ-2М, позволили сфор-
мулировать предложения для проведения натурного аэродинамического экспери-
мента с помощью специальных пассивных эталонных спутников (ПЭИСЗ) «ПИОН».
Совместно с ЦСКБ, НТЦ «Наука» (г. Самара), НИИВЦ «Космос» (г. Москва) реали-
зован космический эксперимент «Вариация» [15]. Результаты, полученные в ходе
этих экспериментов, представлены в работах [16-21]. Суть предложений заключа-
лась в одновременном запуске на одну и ту же орбиту двух сферических ПЭИСЗ
примерно одинаковых размеров (0 « 0,3 м) и масс (-45-50 кг), но покрытых различ-
ными конструкционными материалами (сплав АМГ-6, стеклоткань Si, нитроэмаль
АК-12). Указанные ПЭИСЗ отделялись от КА «Ресурс-Ф» (рис. 1.3.5).
Привлечение существующих средств контроля космического пространства для
получения информации об эволюции параметров орбит (периода обращения Д7) по-
100
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
пэисз «пион»
Даты отделения от
КА «Ресурс-Ф»
Рис. 1.3.5. Схема эксперимента
с ПЭИСЗ «ПИОН»
зволяет исключить плотность атмосферы
из обрабатываемой информации и устано-
вить прямое расхождение в коэффициен-
тах сопротивления этих спутников Cxi/ Cxj,
используя соотношение:
\TJ\Tj =
Здесь SM, т - площадь миделя и масса
спутника. Индексы i, J относятся к соот-
ветствующей паре спутников.
Калибровочные значения коэффициен-
тов лобового сопротивления моделей спут-
ников «ПИОН» были измерены на уста-
новке ВАУ-2М до их запуска. Первые на-
турные эксперименты были проведены в
1989 г. в условиях максимума солнечной
активности. В ходе экспериментов опреде-
лены значения отношений аэродинами-
ческих коэффициентов для двух пар
ИСЗ «ПИОН». В 1992 г. исследования бы-
ли продолжены для средних условий сол-
нечной активности. Как и в двух преды-
дущих случаях (июнь, август 1989 г.), от КА «Ресурс-Ф» с интервалом в одни сутки
были отделены ИСЗ «ПИОН-5» (01.09.1992 г.) и «ПИОН-6» (02.09.1992 г.). Спутни-
ки находились на круговых орбитах (высотой -230-270 км и наклонением i« 82°)
22-23 суток. В течение этого периода проводилось их регулярное наблюдение сред-
ствами контроля космического пространства. Результаты натурных и лабораторных
экспериментов приведены в табл. 1.3.2.
Таблица 1.3.2
Сопоставление результатов лабораторных и натурных экспериментов
Способ получения информации G1 / Сх2 СХ2 / Сл4 Сл6/ СХ5
Лабораторное моделирование 1,045 0,957 1,042
Натурный эксперимент 1,039 0,984 1,035
Качественное и количественное совпадение полученных данных свидетельствует
о достаточно адекватном моделировании основных физических особенностей взаи-
модействия высокоскоростных потоков разреженного газа с конструкционными ма-
териалами внешних покрытий ИСЗ в установке ВАУ-2М и корректности пересчета
измеренных параметров на натурные условия полета.
На «фоне» эталонных ИСЗ «ПИОН» были определены также баллистические
коэффициенты более 100 космических объектов с высотами перигея в диапазоне
150-450 км [16].
ГЛАВА 1.3
ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ...
101
1.3.2.3. Измерение индикатрис потоков массы
На установке был выполнен комплекс экспериментов по исследованию распре-
деления интенсивности отраженного потока частиц в зависимости от расстояния
до мишени и ее ориентации относительно вектора скорости набегающего потока.
Эксперименты проведены для тех же
мишеней и материалов покрытий, что и в
силовых измерениях. Измерения интен-
сивности падающего на мишень и отра-
женного от нее потоков проводились
методом механической модуляции [22]
с использованием ионизационного дат-
чика. Схема измерений индикатрис рас-
сеяния показана на рис. 1.3.6.
При обработке результатов измерений
использовалось методическое и про-
граммное обеспечение, разработанное для
Рис. 1.3.6. Схема измерения индикатрис рассеяния
исследования воздействия струй двигательных установок на элементы конструк-
ции КА [17]. Индикатрисы рассеяния определялись в плоскости, проходящей через
ось падающего потока и нормаль к мишени.
Для образца ЭВТИ с шероховатой поверхностью отражение частиц было близко к
диффузному при углах падения в интервале 0-60°, а для фрагмента СБ получена ле-
пестковая диаграмма рассеяния, ширина которой растет с увеличением угла падения.
Эти результаты соответствуют основным закономерностям рассеяния для средних
энергий падения, полученным другими авторами [12, 24].
1.З.2.4. Определение эффективных сечений рассеяния атомов и молекул
Описание столкновительных процессов в разреженных газах требует информации
о потенциалах взаимодействия. За последнее время накоплены достаточно обширные
теоретические и экспериментальные данные по изучению короткодействующих
межмолекулярных сил. В [25-28] дан обзор современного состояния исследований в
этом направлении. Основные результаты получены из экспериментов по рассеянию
высокоэнергетических пучков (Е ~ 1 кэВ) на малые углы, а также по измерению ос-
лабления пучка, прошедшего слой рассеивающего газа (газовой мишени). В [26] соб-
раны эмпирические значения параметров степенного и экспоненциального потенциа-
лов для различных атомных и молекулярных газов. Кинетика одностолкновительных
течений разреженного газа играет ведущую роль в процессах формирования собст-
венной внешней атмосферы (СВА) КА [29] и загрязнения их оптических систем.
Вопрос о выборе модели взаимодействия молекул достаточно сложен. В вычисли-
тельной практике наиболее проста и удобна модель твердых сфер. При этом диамет-
ры молекул-шаров определяются, как правило, из информации о зависимости коэф-
фициента вязкости от температуры. Один из путей моделирования нужного закона
изменения коэффициента вязкости от температуры - введение модели «псевдогаза»
[30], в которой полагается, что сечение столкновений есть функция относительной
102
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
скорости сталкивающихся частиц, а само столкновение происходит по закону твер-
дых сфер. Результаты экспериментального определения полных сечений рассеяния
сверхзвукового молекулярного пучка на газовых мишенях приведены в рабо-
тах [31-33].
Традиционный метод экспериментального определения полных сечений рассея-
ния основан на измерении относительной интенсивности пропускаемого через газо-
вую мишень свободномолекулярного пучка [26]. Однако надежное измерение интен-
сивности молекулярного пучка при больших концентрациях частиц остаточного газа
в рабочей камере сопряжено со значительными трудностями. С целью их преодоле-
ния был разработан новый метод определения интегральных сечений рассеяния ато-
мов и молекул по потере потока импульса Fq/ F молекулярного пучка, прошедшего
некоторое расстояние /. В этом случае формула для определения сечения рассеяния
имеет вид:
ст = 11п[^Л0)
п1 \F
/(0) = к\к2 - аппаратная функция, характеризующая эффективность регистрации
частиц, рассеянных на угол 0. Коэффициент к\ учитывает расходимость потока, а коэф-
фициент к2 - конечные размеры детектора, рассеивающей мишени и сечения пучка.
Рабочим газом источника молекулярного пучка в экспериментах являлся аргон, а
в качестве газовой мишени использовались инертные газы с различным молекуляр-
ным весом (Ne, Аг, Кг, Хе). Полученные значения полных сечений рассеяния с на
разных газах приведены в табл. 1.3.3. Здесь же приведено полное сечение рассеяния
при нормальных условиях с0 [34].
Были измерены также интегральные сечения рассеяния атомов аргона на высоко-
молекулярных соединениях, в частности, на молекулах паров вакуумного масла
ВМ-1 [33]. В этом случае значение с оказалось в 3-4 раза больше, чем для взаимо-
действующих пар частиц Аг - Аг, Аг - Кг и Аг - Хе.
Такой подход обладает заметным преимуществом по сравнению с описанным
выше традиционным методом, поскольку по суммарному эффекту потери импульса
газ, моделируемый твердыми сферами, эквивалентен реальному газу [35], что позво-
ляет использовать полученные результаты как в расчетной практике, так и в натур-
ных физических и аэрономических экспериментах [36-40].
Подобные космические эксперименты были выполнены по программе «Релак-
сация» [41, 42]. При их выполнении эффективные сечения рассеяния определялись
по измерениям абсолютной интенсивности и пространственного распределения
УФ-свечения выхлопных струй двигателей транспортных кораблей «Прогресс» и
Таблица 1.3.3
Значения полных сечений рассеяния
Сечение, 10 20 м2 Аг - Не Аг-Аг Аг - Кг Аг-Хе
о 17 25 30 32
По 31 42 50 58
ГЛАВА 1,3 ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ...103
«Союз» Эффективное сечение рассеяния атомов кислорода верхней атмосферы на
молекулах выхлопа оказалось в 2,5-3 раза меньше сечения, рассчитанного по модели
«сфер переменного диаметра» [42].
1.З.2.5. Динамические испытания и калибровка бортовых измерительных
систем и приборов
На установке ВАУ-2М были выполнены испытания и проведена калибровка бор-
товых масс-спектрометров Р-8, Р-10 и многоточечного измерителя манометрического
давления (МИМД) разработки ФТИНТ НАН Украины, показанных на рис. 1.3.7.
Рис. 1.3.7. Внешний вид и угловые зависимости сигналов приборов: а, б - масс-спектрометров
Р-8, Р-10; в - МИМД. 1 -L = 100 мм; 2 -L = 200 мм; 3 -L = 300 мм
104 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Испытания проводились как в потоке эффузионного газодинамического источни-
ка в диапазоне скоростей К = 0,3-0,5 км-с”1, так и в потоке индукционного плазмен-
ного ускорителя при скоростях V= 4-8 км-с"1. Исследовались зависимости выходных
сигналов приборов от их ориентации относительно вектора скорости набегающего
потока и состава рабочего газа. Измерения проводились в режиме модулированного с
частотой 20 Гц молекулярного пучка аргона в разных сечениях потока.
Угловые зависимости выходных сигналов масс-спектрометров Р-8, 10 и МИМД
показаны на рис. 1.3.7а, б, в соответственно. Здесь UQ - значение сигнала испыты-
ваемого прибора при прямом попадании ускоренного потока во входную апертуру;
U - значение сигнала для различных угловых положений прибора; L - расстояние
от среза источника до входной апертуры; 0 - угол между осью потока и нормалью к
входной апертуре испытываемого прибора.
1.3.3. Исследования газодинамических параметров внутри моделей
негерметичных контейнеров КА
При функционировании КА в космосе давление внутри негерметичных отсеков
зависит от параметров окружающей атмосферы. В этой связи изучение кинетики
изменения давления внутри негерметичных отсеков КА взаимосвязано с формиро-
ванием и динамикой СВА КА.
Расчетные оценки изменения давления в негерметичных полостях осложняются
неопределенностями в конфигурациях каналов откачки и химическом составе обра-
зующейся газовой смеси. Более надежные результаты могут быть получены экспери-
ментально при исследованиях в вакуумных установках и в натурных экспериментах.
1.3.3.1. Натурные эксперименты по исследованию газодинамической обстановки
в окрестности КА и изменения давления внутри негерметичпых отсеков
Ужесточение требований к надежности систем КА, продление сроков активного
существования аппаратов, повышение эффективности научных и прикладных экспе-
риментов в космосе, а также ряд других факторов привели к необходимости всесто-
роннего изучения среды, в которой функционируют КА. В частности, специалисты
NASA и ESA, прежде чем приступить к подготовке и реализации технологических
экспериментов на борту КА «Space Shuttle», провели комплекс натурных экспери-
ментов по исследованию его газового окружения. В результате были разработаны
критерии и выпущены нормативные документы по газовым и пылевым загрязнениям,
вошедшие в Технические условия на бортовые системы и оборудование КА, а также
технические требования к конструкции. Для измерения газодинамических парамет-
ров были разработаны уникальные комплексы научной аппаратуры типа IECM (мас-
сой 360 кг), 0SS-1 (1000 кг). Аппаратура IECM, например, включала десять приборов
(масс-спектрометр, стереофотокамеры, кварцевые микровесы, ампулы для отбора
проб газа, образцы для экспонирования в открытом космосе и т. д.).
Натурные масс-спектрометрические измерения позволили оценить состав нейт-
ральной газовой среды около КА [43]. На начальном этапе полетов КА преобладали
ГЛАВА 1.3
ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ...
105
такие газы, как N2, О2, СО2, являющиеся основными компонентами при утечках ат-
мосферы из кабины пилотов и газовыделении с поверхностей конструкционных ма-
териалов. Обнаружены также значительные потоки молекул воды. Так, например,
измеренные в начале полетов КА STS-2 и STS-4 плотности возвратных потоков
молекул воды почти в 30 раз превысили значения предварительных теоретических
расчетов.
Как отмечено в работе [44], опытные данные по десорбции ряда материалов пока-
зывают, что молекулы воды на начальном этапе являются одной из основных состав-
ляющих [45-47]. На уровень плотности потоков Н2О могут также влиять различные
поверхностные химические процессы [48-53]. Потоки газов с поверхности КА суще-
ственно зависят от температуры поверхностей, ориентации аппарата по отношению к
вектору скорости набегающего потока и направлению на Солнце, от работы двига-
тельных установок и других факторов.
Измерения, выполненные с помощью датчика ионизационного типа на КА «Space
Shuttle», показали, что давление в грузовом отсеке может меняться от ~10~7торр
(значение в невозмущенной окружающей среде) до ~10~3 торр при кратковременном
включении двигателей [44]. В период, когда створки отсека были полностью закры-
ты, давление в нем увеличилось до 4-10"5 торр из-за газовыделения с поверхностей
полезной нагрузки. Изучение результатов измерений показало, что с момента вклю-
чения диагностической аппаратуры [48, 54] понадобилось почти 24 часа для того,
чтобы давление снизилось от 10"5 до 10"7 торр, примерно соответствующего услови-
ям невозмущенной среды на высоте 340 км.
Определенный опыт для оценки скорости газовыделения конструкционных ма-
териалов и давления отдельных составляющих внутри негерметичных отсеков и
отдельных узлов был накоплен в процессе отработки и эксплуатации КА OTS и
ESRO-IV [55]. Давление внутри негерметичных КА находится в диапазоне
~10-4-10-6 Па и обусловлено главным образом парами Н2О с существенным количе-
ством СО и следами других газов и паров (пары масел, смазочных материалов,
NH3 и др.). Обобщенные данные о газовыделяющей способности и поведении от-
дельных конструкционных материалов в условиях космического вакуума получены в
результате многолетних наблюдений ESTEC/ESA [55].
В [46] представлены результаты измерений давления внутри полости, негерме-
тично закрытой ЭВТИ, и на поверхности аппарата, которые были выполнены с по-
мощью ионизационных манометров на двух однотипных геостационарных КА.
Наблюдавшийся характер изменения давления с течением времени можно опи-
сать экспоненциальной зависимостью типа Р = Дач ехр (-а/). Для показаний мано-
метра, установленного на внешней поверхности КА, значение коэффициента а, [ч-1]
падает со временем на порядки: а = 0,4 - через 5 часов после старта; а = 0,04 - через
30 часов, и а = 2,6-10-4 - после 30 суток полета. Значение а = 0,4 соответствует дан-
ным, полученным в вакуумных испытаниях для ряда основных материалов внешних
поверхностей КА. Временная зависимость показаний манометра, установленного в
негерметичной полости, в целом подобна зависимости для наружного манометра, но
даже через несколько месяцев полета давление в полости более чем на порядок пре-
вышало давление снаружи.
106
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
1.3.3.2. Лабораторное моделирование
Расчетная оценка условий возникновения газовых форм электрического разряда в
соответствии с законом Пашена [56] в полугерметичных полостях осложняется неоп-
ределенной конфигурацией каналов откачки и наличием одновременного испарения
газовых частиц различной природы, что приводит к образованию в объеме сложной
газовой смеси. Способность к пробою в случае газовой смеси определяется наиболее
легко пробиваемым газом [56]. Самым надежным способом оценки этих условий для
реальной аппаратуры КА являются экспериментальные исследования в вакууме на
полномасштабных моделях КА. Методические особенности и схема организации та-
ких испытаний детально рассмотрены в [55].
Необходимо подчеркнуть также, что расчетные оценки всех используемых для
моделирования величин необходимы для корректного определения условий и па-
раметров моделирования. Эти оценки могут быть произведены, конечно, только
для случаев простейшей геометрии системы и с учетом лишь главной газовой ком-
поненты. В них не будет включена реакция узла (системы) на воздействие окру-
жающей среды, которая может оказаться весьма сложной и определяться только
экспериментально.
Экспериментальные исследования сорбционно-десорбционных процессов внутри
контейнеров
Структурная схема экспериментальной установки для определения десорбцион-
ных характеристик конструкционных материалов и изучения их воздействия на газо-
динамические параметры внутри полостей, моделирующих негерметичные отсеки
КА, представлена на рис. 1.3.8. Экспериментальная измерительная система состоит
из нескольких частей и включает:
• подсистему регистрации газодина-
мических параметров;
• устройство регулирования степени
негерметичности моделей отсеков;
• подсистему напуска газов во внут-
ренние полости контейнеров и в
рабочую камеру вакуумной уста-
новки.
В ее состав входят как стандартные
промышленные приборы, так и специ-
ально разработанное экспериментальное
оборудование.
Промышленная аппаратура представ-
лена такими приборами, как: система
напуска газов 4, 5 (тип СНА-2), вакуум-
метры 27-30 (тип ВИТ-2, ВИТ-3), пре-
образователи манометрические иони-
зационные 13, 14, 25, 26 (тип ПМИ-2),
цифровой вольтметр 32 (тип В7-40), ап-
Рис. 1.3.8. Схема установки для определения
десорбционных характеристик
ГЛАВА 1.3
ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ...
107
паратура, выполненная в стандарте КАМАК и состоящая из различных функцио-
нальных модулей 36-44, а также персональный компьютер 34, 35.
Экспериментальное оборудование включает: модели отсеков КА в виде контейне-
ров 16, 17; устройство управления степенью негерметичности 19-24; ресиверы 1,7;
датчики расходомеров 3, 6, а также ряд электромеханических и электронных уст-
ройств (электромагнитные клапаны с концевыми датчиками 2, 8, 9-12, коммутатор
33, пульт ручного дистанционного управления 31 и др.).
Интерфейс, обеспечивающий взаимодействие управляющего компьютера с мо-
дульной аппаратурой КАМАК, реализован на базе стандартного крейт-контроллера
(FK4410) 36 и четырехканального адаптера, установленного в один из слотов расши-
рения системной платы, находящейся в системном блоке ПК 34.
Для свободномолекулярного режима течения и нарушения условий равновесия
плотность результирующего потока продуктов газовыделения из негерметичной
полости можно описать уравнением:
Q = (QK + 2м +2У + 2мп +Sh)_(Sb +Som +2с +St)>
где: QK, Qy, Qsm - плотности потоков, образованных продуктами десорбции внут-
ренних поверхностей контейнера, исследуемого материала, уплотнений и элементов
конструкций манометрического преобразователя соответственно; Qu - расход газа,
поступающего от натекателя через впускной патрубок контейнера (используется в
некоторых экспериментах); QB - плотность возвратного потока; £)ом и Qc - плотности
потоков газов, обусловленные откачивающим действием ионизационного маномет-
рического преобразователя и сорбционными процессами на внутренних поверхно-
стях контейнера; QT - плотность потока (течи) через зазоры в подвижных сопрягае-
мых элементах контейнера.
Значения плотностей потоков QK, QM, Qy на начальных отрезках времени могут
быть весьма значительны.
Для уменьшения количества экспериментов может быть использован метод диф-
ференциальных измерений. Он основан на использовании еще одного пустого кон-
трольного контейнера в предположении, что все составляющие, которые определяют
плотность результирующего потока для обоих контейнеров, приблизительно одина-
ковы (за исключением gM). Пренебрегая процессами вторичной сорбции, получим
Q = Qi - Q\ при условии, что Q2n = Q\n. Здесь Q2 - плотность потока из контейнера,
заполненного исследуемым материалом; Q\ - плотность потока из пустого (конт-
рольного) контейнера; Q2n - плотность потока из пустого контейнера № 2; Q\n -
плотность потока из пустого контейнера № 1.
Кратко рассмотрим два наиболее приемлемых для данных экспериментов мето-
да - метод накопления и метод потока. Эти методы сводятся к определению давле-
ний во внутренних полостях исследуемых контейнеров и в их окрестности при
известных температуре, объеме и постоянном массовом составе продуктов газовы-
деления [57-63].
Метод накопления основан на оценке изменения давления ДР = Р2 - Pi внутри
контейнера постоянного объема V за контролируемые периоды времени Дл Контей-
нер с источником газовыделения и манометрическим преобразователем при давлении
108 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Р\ отсоединяется от объема вакуумной камеры (т. е. закрывается выпускное отвер-
стие посредством заслонки-обтюратора) на фиксированное время А/ и определяется
установившееся давление Р2. В закрытом контейнере с известным и постоянным
объемом вследствие газовыделения Q давление увеличится на АР. Этот процесс
описывается уравнением:
*PV_ydP
Ы dt
Введя в это выражение значение суммарной площади поверхности десорбента
SS, получим выражение для определения удельного газовыделения:
РАР
Стг =----.
г ZSA/
Метод потока сводится к измерениям с помощью двух манометрических пре-
образователей давления (Pi внутри и Р2 вне контейнера). В этом случае плотность
потока продуктов газовыделения через диафрагму описывается уравнением:
е=с/д(/’-р2),
где Ua - проводимость калиброванной диафрагмы контейнера. Удельное газовыде-
ление можно определить из выражения:
Вычислительные модели газодинамических процессов в негерметичных
контейнерах
Равновесное давление внутри контейнера можно оценить из уравнения [64]:
(l/4)«PcpAS = GS,
где п - концентрация молекул в полости; Иср - среднеквадратичная скорость молекул
газовыделения; А - отношение площади отверстия течи к площади S поверхности
контейнера; G - массопотоки с внутренней поверхности контейнера, установившиеся
в результате двух динамических процессов - газовыделения и сорбции, G = Gv - Gc.
Полагая Gc = (1 /4)иКсра, где а - коэффициент сорбции, получим:
Сг = (1/4)иИср(а + Я).
Возможны три режима формирования давления в контейнере:
1. аэ>А - равновесное давление определяется сорбцией:
P = (4Gr/(^pa))^;
2. А » a - равновесное давление определяется течью:
Р = (4Сг/(ГсрЯ))Д:Т;
3. промежуточный случай:
P = [4Gr/(Vcp(a + A))kT.
ГЛАВА 1.3
ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ...
109
В приведенных выше формулах к - постоянная Больцмана; Т - температура газа в
контейнере.
Для оценки давления внутри контейнера использовано известное решение зада-
чи о свободномолекулярном течении через короткий канал [65]. Давление внутри
контейнера будет увеличиваться за счет натекания газа из камеры, газовыделения с
внутренних поверхностей контейнера и исследуемых образцов, а уменьшаться за
счет истечения газа из отверстия.
Изменение давления за время dx при постоянных Т и Gr представимо в виде:
V 2л V A J
где V - объем полости контейнера; S - площадь газовыделяющей поверхности; Gr -
удельная массовая скорость газовыделения (постоянная во времени); R = k/m- газо-
вая постоянная; m - молярная масса частиц газовыделения; Р\ - давление частиц
газовыделения внутри контейнера; Р2 - давление в рабочей камере установки; Т -
температура газа в контейнере и рабочей камере (постоянна); A = J¥- эффективная
площадь отверстия, учитывающая уменьшение расхода газа при движении в канале
выходного отверстия площади So = tiDqIA (Z)0 = 30mm) с помощью коэффициента
Клаузинга W= 0,52 [65].
Из приведенного соотношения следует, что с течением времени давление внутри
контейнера изменяется по закону:
= Руст. + (/>° - Руст.) е", где Русг. = Gr RT S/A+P2,
где - давление внутри контейнера в начальный период времени;
t = т (А / V)ylRT/2n - безразмерное время.
Для различных условий проведения лабораторного эксперимента давление в кон-
тейнере устанавливается в течение нескольких минут. Поскольку скорость потери
массы внутри негерметичных объемов изменяется во времени значительно медлен-
нее, то данная задача может решаться в квазистационарной постановке.
Для проверки применимости предложенной выше модели были обработаны се-
рии экспериментов по исследованию кинетики изменения парциального давления в
контейнере в зависимости от двух определяющих параметров - расхода натекаемо-
го газа (моделирующего скорость газовыделения) и сорта газа (моделирующего
молекулярный состав продуктов газовыделения). В экспериментах использованы
следующие газы: воздух, аргон, криптон, ксенон [66].
Сопоставление экспериментальных и расчетных данных показало, что в среднем
относительная погрешность определения теоретических и экспериментальных значе-
ний парциальных давлений различных газов в контейнере при разных значениях ско-
рости натекания газа находится на уровне -15%. Таким образом, приведенная рас-
четная модель обеспечивает вполне удовлетворительное согласие с эксперименталь-
ными данными и может быть использована для приближенной оценки давления в
негерметичных отсеках КА.
но
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
1.3.3.3. Исследования установившегося давления продуктов газовыделения
в негерметичпых отсеках КА МС-1-ТК
Для оценки давления в негерметичных отсеках КА использовались описанная
выше вычислительная модель и результаты лабораторных экспериментов с негерме-
тичными контейнерами. Общий вид микроспут-
ника показан на рис. 1.3.9. Корпус КА, выпол-
ненный в виде параллелепипеда, набран из от-
дельных пустотелых аппаратурных секций с на-
ружными размерами в сечении 380 x300 мм2 и
толщиной стенки 1,5 мм. Высота корпуса, со-
стоящего из семи секций, равна 400 мм.
Для описания газодинамических процессов
внутри отсеков применима модель свободномо-
лекулярного истечения газа через плоский канал
со значениями коэффициента Клаузинга для раз-
личных зазоров Л, приведенными в [65].
Исследования установившегося давления
продуктов газовыделения внутри негерметнчных .
_ Рис. 1.3.9. Общий вид микроспутника
отсеков аппарата были проведены для различных
значений удельного газовыделения Gr с поверхности радиоэлектронной аппаратуры
КА в пределах 10"8-10и кг-м"2-с-1, молярных масс т частиц газовыделения от 50
до 650, температуры Т газа внутри отсека от -10°С до +45°С и степени негерметич-
ности, определяемой технологическими зазорами по периметру секции.
На рис. 1.3.10 приведены необходимые значения зазора h по периметру секции
для поддержания внутреннего давления Р равным 10-4 (линии сверху) и 10"2 Па (ли-
нии снизу) для различных молярных масс т в зависимости от удельного газовыделе-
ния Gr с поверхности элемента радиоэлектронной аппаратуры при 0°С.
Следует отметить, что эти результаты справедливы в том случае, когда на-
Рис. 1.3.10. Требуемые значения зазора h
для поддержания заданного внутреннего
давления при молярных массах т:
1 - 50, 2 - 200, 3 - 650
ружное давление собственной атмосфе-
ры вблизи щели секции не превышает
10~6Па. Увеличение его до 10”4Па при-
водит к 10-процентной погрешности при
определении зазора для поддержания
внутрисекционного давления 10~3 Па.
Если наружное давление в районе щелей
негерметичных секций микроспутника не
контролируется, для поддержания внут-
реннего давления в секциях в требуемых
пределах необходимо герметично уплот-
нить секцию по периметру и просверлить
контрольное отверстие (дюзу) необ-
ходимого размера в том месте корпуса,
где внешнее давление будет меньше
5-10’6 Па.
ГЛАВА 1 3
ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ...
111
Рис. 1.3.11. Общий вид системы негерметичных контейнеров
с платой радиоэлектронной аппаратуры
Как показали эксперименты, удельное газовыделение с поверхности типового
элемента радиоэлектронной аппаратуры, показанного на рис. 1.3.11, после пяти-
часового вакуумирования составляет -2,5-10-8 кг-м^-с"1 при эффективной моляр-
ной массе частиц газовыделения -500 г-моль"1.
Для поддержания давления внутри негерметичных секций микроспутника в ин-
тервале 10-4-10-2Па при таких параметрах газовыделения элементов аппаратуры
значение зазора должно принимать значения от 15 до 0,2 мм, что соответствует
размерам диаметра контрольного отверстия -80 мм и 10 мм при герметизации от-
сека. Отсутствие прямо пропорциональной зависимости между размером щели и
диаметром отверстия объясняется различными значениями проводимости (коэффи-
циентов Клаузинга) для двух схем негерметичности.
Поскольку за первый год активного существования спутника удельное газовы-
деление с его негерметичных поверхностей может уменьшиться на два порядка, то
для условий функционирования спутника на орбите более одного года требуемые
зазоры должны лежать в пределах 0,03-0,2 мм, что соответствует диаметрам отвер-
стий -0,35-2,4 мм соответственно. Приведенные оценки свидетельствуют о том.
что зазор в 0,2 мм должен обеспечить давление внутри негерметичных секций КА
МС-1-ТК в требуемых пределах на весь период его существования. Если же ис-
пользовать дополнительное отверстие в корпусе диаметром -10 мм, расположенное
в области, где наружное давление -10"4Па, то внутрисекнионное давление также
будет находиться в требуемых пределах.
В силу конструктивных особенностей (неопределенность параметров каналов
откачки) невозможен долгосрочный прогноз динамики изменения давления во
внутрисхемных полостях элементов радиоэлектронной аппаратуры. Их работоспо-
собность необходимо проверять в лабораторных условиях. Следует также обратить
внимание на время установления расчетного давления для различных секций мик-
роспутника. Оценки этих временных интервалов (для выхода на 99-процентный
уровень установления) дают значения в пределах от 2 (отсек с малогабаритной бор-
товой телекамерой, высота отсека 36 мм) до 8 суток (отсек с приборами автомати-
ки, регулирования и контроля, высота отсека 94 мм).
112
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таким образом, погрешности прогноза давления внутри негерметичных отсеков
КА МС-1-ТК почти полностью определяются погрешностями задания начальных
геометрических и физических данных. В наибольшей мере это относится к точности
задания удельной скорости газовыделения (поток с единицы площади в единицу
времени) с внутренних поверхностей и элементов, их массового состава и временной
зависимости газовыделяющих свойств поверхностей от температуры и времени на-
хождения в космическом пространстве. В настоящее время эти данные можно полу-
чить лишь путем хорошо спланированных специальных лабораторных и натурных
исследований газовыделения конкретных материалов.
ВЫВОДЫ
1. Несмотря на успехи, достигнутые в теоретических и численных исследованиях,
важнейшая роль в изучении явлений в разреженном газе по-прежнему принадлежит
экспериментальным методам исследования.
Экспериментальные исследования включают в себя:
• моделирование орбитальных условий полета КА в соответствующих вакуум-
ных аэродинамических установках;
• создание методов и средств для прецизионного диагностирования потоков в
рабочих камерах установок, где проводятся эксперименты;
• измерение локальных коэффициентов обмена импульсом, тепловых потоков и
индикатрис рассеяния на обтекаемых поверхностях.
В последнее время круг задач значительно расширился за счет необходимости
понимания газодинамических процессов, происходящих в окрестности КА и внутри
их негерметичных отсеков.
Развитие численных методов решения уравнения Больцмана ставит перед экспе-
риментаторами задачу исследования потенциалов взаимодействия между молекула-
ми газа и измерения необходимых сечений рассеяния.
2. Основным инструментом экспериментальных исследований взаимодействия
газа с поверхностью применительно к космическим полетам являются установки с
молекулярными пучками. При их создании приходится решать сложные технические
задачи: достижение средних энергий (орбитальных скоростей) при достаточной ин-
тенсивности, детектирования частиц в потоке и после их взаимодействия, контроль
состояния поверхности в рабочей камере.
3. В большинстве существующих установок пучок создается методом газодина-
мического разгона при истечении в вакуум. Его преимущества: простота, надежность
и возможность работы в непрерывном режиме. Использование криогенной техники
позволило довести энергии в таких пучках до средних значений при их достаточной
интенсивности. Для достижения более высоких скоростей на первое место выходят
электрофизические методы, основанные на разгоне заряженных частиц с последую-
щей перезарядкой на газовых мишенях. Пучки средних энергий, получаемые таким
способом, позволяют также работать в непрерывном режиме, но с достаточно малы-
ми интенсивностями. Основными приборами для измерения пучков являются различ-
ного рода манометрические и пролетные ионизационные детекторы. Первые весьма
чувствительны, но достаточно инерционны. Вторые имеют существенно меньшие
ГЛАВА 1.3
ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ...
ИЗ
постоянные времени и позволяют регистрировать быстрые изменения параметров в
свободномолекулярном пучке. Их чувствительность повышается с помощью сво-
бодномолекулярных пучков и соответствующей математической обработки. Для
измерения распределения частиц по величине скорости применяется времяпролет-
ный метод.
4. История создания силоизмерительных устройств восходит к аэродинамическим
установкам большой плотности. Вначале многие экспериментаторы стремились соз-
давать различные способы и средства непосредственного измерения сил и моментов,
действующих на модели (крутильные, кварцевые весы, а также весы, основанные на
применении магнито-электрического подвеса, метода свободного падения, и многие
другие). Однако с развитием численных алгоритмов и созданием соответствующих
программных средств стало понятно, что испытывать модели КА совершенно необя-
зательно. Достаточно измерить локальные коэффициенты обмена импульсом на
фрагментах конструкционных материалов внешних покрытий КА в зависимости от
их ориентации по отношению к вектору скорости набегающего потока. Затем ввести
поправки на тепловой разброс частиц верхней атмосферы по скоростям и для опре-
деления интегральных характеристик проинтегрировать эти коэффициенты по всей
поверхности КА с учетом взаимного затенения элементов конструкции. Эта проце-
дура стала возможной благодаря самой специфике свободномолекулярных течений,
когда обтекание каждого элемента конструкции можно рассматривать независимо от
соседних. Добавки же за счет переотражения молекул от соседних элементов, состав-
ляющие второй порядок малости, рассчитываются с помощью хорошо разрабо-
танных алгоритмов методом Монте-Карло. Такой поход был проверен в ходе прове-
дения отдельных натурных экспериментов по торможению эталонных КА и лег в
основу алгоритмических и программных средств, используемых в большинстве кон-
структорских и проектных организаций при расчете аэродинамических характери-
стик КА в свободномолекулярном режиме обтекания.
5. Экспериментальные исследования газодинамических процессов в негерметич-
ных отсеках КА стали едва ли не единственным способом их отработки в наземных
условиях. Связано это с тем, что расчетные оценки изменения давления в негерме-
тичных полостях осложняются неопределенностями в конфигурациях каналов откач-
ки и химическом составе образующейся газовой смеси. При этом можно предложить
схему комплексного лабораторного моделирования воздействия космической среды
на различные узлы и блоки бортовых приборов и оборудование.
6. Экспериментальные методы исследования в механике разреженного газа по-
зволяют не только получать достоверные данные для успешного решения многих
прикладных задач, но и использовать эти данные в качестве эталонных значений при
разработке и создании соответствующих расчетных алгоритмов и программ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кошмаров Ю.А., Рыжов Ю.А., Свирщевский С.Б. Экспериментальные методы в механике разреженно-
го газа. М.: Машиностроение, 1981, 200 с.
2. Королев А.С., Бошенятов Б.В., Друкер И.Г., Затолока В.В. Импульсные трубы в аэродинамических
исследованиях. Новосибирск: Наука, 1978, 80 с.
3. Ударные трубы: Сб. статей под ред. Рахматуллина Х.А.и Семенова С.С. М.: ИЛ, 1962, 700 с.
114 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
4. Экспериментальные методы в динамике разреженных газов. Сб. статей под ред. Кутателадзе С.С.
Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1974, 218 с.
5. Ребров А.К., Леонас В.Б., Омелик А.И., Фарафонов В.Г. Экспериментальные исследования в динамике
разреженных газов. В кн.: Труды IV Всесоюзной конференции по динамике разреженного газа и моле-
кулярной газовой динамике. М.: ЦАГИ, 1977, с. 197-220.
6. Абрамовская М.Г., Аксютенко А.Н., Басс В.П., Ефимов Ю.П., Печерица Л.Л., Солодовник Л.Л., Яр-
мак А.Д. Экспериментальные исследования в динамике разреженного газа. Техническая механика,
2002, №2, с. 45-57.
7. Аксютенко А.Н., Акулов А.М., Басс В.П., Ефимов Ю.П., Зворыкин Л.Л., Петров О.В., Посевин Н.И.,
Приймак А.И., Токовой С.В. Свободпомолекулярная аэрогазодинамическая установка с индукцион-
ным плазменным ускорителем. Тезисы докл. IV Всесоюзной школы по методам аэрофизических ис-
следований. Новосибирск, 1986, с. 202.
8. Басс В.П., Ефимов Ю.П., Петров О.В., Токовой С.В., Аксютенко А.Н., Приймак А.И. Эксперименталь-
ное исследование параметров взаимодействия гиперзвукового нейтрального потока аргона с обтекае-
мыми поверхностями. Взаимодействие разреженных газов с поверхностями. Тр. VIII Всесоюзной кон-
ференции по динамике разреженных газов. М., 1986, с. 99-103.
9. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Плазменные ускорители. М.: Машиностроение, 1983, 231 с.
10. Зусман В.Б., Корейша А.О., Шкуропатов В.М. Получение высокоскоростных молекулярных пучков
методом перезарядки ионов в потоке плазмы. Тр. Ill Всесоюзной конференции по динамике разрежен-
ных газов, V секция. Новосибирск: ИТПМ СО АН СССР, 1971, с. 93-96.
11. Омелик А.И. Проблемы экспериментального моделирования в молекулярной газодинамике. VIII Всесо-
юзной конференции по динамике разреженных газов. Тезисы докладов. М.: МАИ, 1985, т. 2, с. 138-139.
12. Баранцев Р.Г. Взаимодействие разреженных газов с обтекаемыми поверхностями. М.: Наука, 1975, 344 с.
13. Ковтуненко В.М., Камеко В.Ф., Яскевич Э.П. Аэродинамика орбитальных космических аппаратов.
Киев: Наукова думка, 1977, 156 с.
14. Басс В.П. Некоторые результаты взаимодействия потока разреженного газа с поверхностью ИСЗ и
интерпретация данных о его торможении. Космические исследования, 1980, т. XVIII, № 3, с. 455-458.
15. Басс В.П, Тарасов Ю. В полете - «ПИОНЫ». Авиация и космонавтика, 1990, № 5, с. 40-41.
16. Анисимов В.Д., Басс В.П., Комиссаров И.Н. и др. Результаты исследований аэродинамических харак-
теристик и плотности верхней атмосферы с помощью пассивных спутников «ПИОН». Набл. иск. неб.
тел. М.: Астрономический совет АН СССР, 1990, № 86, ч. 1, с. 19-29.
17. Басс В.П., Назаренко А.И., Юрасов В.С., Фридлендер О.Г. Использование короткоживущих пленоч-
ных зондов для определения плотности верхней атмосферы. Сб. тезисов докл. 2-го Российско-
китайского симпозиума по космической науке и технике, 30 июня - 04 июля 1992 г., г. Самара, 1992,
с. 184.
18. Басс В.П., Борис А.Ю., Кравченко и др. Средства измерения плотности верхней атмосферы Методы
исследования гиперзвуковых летательных аппаратов. Сб. докл. ежегодной научной школы-семинара
ЦАГИ «Механика жидкости и газа» 25.02-01.03.1992 г., 1994, ч. 5, с. 7.1-7.10.
19. Bass V.P. Numerical and Experimental Methods of Rarefied Gas Dynamics and their Application to Space
Engineering. Methods of Aerophysical Research 8th international Conference ICMAR-96, Novosibirsk, Rus-
sia, 1996, p. 16.
20. Bass V.P., Nikiforov A.P., Fridlander O.G., Nazarenko A.J., Yurasov V.S., Shakhmistov N., Aksyutenko A.N.
Laboratory and Flight Results of Accomodation Coefficients Measurements. 21st International Symposium on
Rarefied Gas Dynamics, Marseille, France, July 26-31, 1998, p. 17.
21. Bass V.P. Investigation of rarefied flow interaction with the surface of space vehicles. Abstract of Papers of
the 32nd IUVSTA Workshop on Gas-Surface Interaction, St.-Petersburg, 25-29 September, 2000, p. 14-15.
22. Востриков А.А., Куснер Ю.С., Ребров А.К., Семякин Б.Е. Применение ионизационного детектора для
регистрации модулированного молекулярного пучка. Приборы и техника эксперимента, 1978, № 1,
с. 150-152.
23. Басс В.П., Печерица Л.Л. Расчет газодинамических параметров в поле нерасчетной струи при наличии
преград различной формы. Космическая наука и техника. Киев: Наукова думка, 1991, № 6, с. 8-13.
24. Гудманн Ф., Вахман Г. Динамика рассеяния газа поверхностью. М.: Мир, 1980, 404 с.
ГЛАВА 1.3
ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ...
115
25. Леонас В.Б. Межмолекулярные взаимодействия и столкновения атомов и молекул. М.: ВИНИТИ,
1980, 40 с.
26. Леонас В.Б. Исследования короткодействующих межмолекулярных сил. Успехи физических наук,
1972, т. 107, № 1,с. 29-35.
27. Леонас В.Б., Родионов И.Д. Исследования высокоэнергетического рассеяния атомов и молекул. Успе-
хи физических наук, 1985, т. 146, № 1, с. 7-34.
28. Теннис Я.П. Успехи в исследовании межмолекулярных сил и описание явлений в потоках газа. Меха-
ника. Новое в зарубежной науке. Динамика разреженных газов. М.: Мир, 1976, № 6, с. 9-36.
29. Мунц Э.П., Хэнсон М. Продувка инертным газом инфракрасных телескопов для предохранения опти-
ки от загрязнений. Аэрокосмическая техника, 1985, т. 3, № 5, с. 124-135.
30. Гусев В.Н., Ерофеев А.И., Климова Т.В. и др. Теоретические и экспериментальные исследования обте-
кания тел простой формы гиперзвуковым потоком разреженного газа. Труды ЦАГИ, 1977, № 1855,
с. 3-43.
31. Абрамовская М.Г., Басс В.П., Петров О.В., Токовой С.В. Измерение полных сечений рассеяния инерт-
ных газов в диапазоне относительных энергий 7-17 эВ. Журнал прикл. мех. и техн, физики, 1988, № 4,
с. 28-32.
32. Абрамовская М.Г., Басс В.П., Петров О.В. и др. Авт. свид. № 1584583. Способ определения интеграль-
ных сечений рассеяния атомов и молекул. М.: Открытия. Изобретения, 1990, № 29, с. 271.
33. Басс В.П., Петров О.В., Токовой С.В. Определение эффективных сечений рассеяния сверхзвуковых
молекулярных пучков на газовых мишенях. В кн.: Труды X Всесоюзной конференции по динамике
разреженных газов. Т. 2. Аэродинамика и экспериментальные методы, 1991, с. 78-83.
34. Кучеренко Е.Т. Справочник по физическим основам вакуумной техники. Киев: Вища школа, 1981,264 с.
35. Коган М.Н. Динамика разреженного газа. М.: Наука, 1967, 440 с.
36. Bass V.P. Statement and realization of aerophysic experimets in outer space. Proc, of Fourth Ukraine-Russia-
China Symposium on Space Science and Technology. Ukraine, 1996, v. 1, pp. 373-375.
37. Bass V.P., Brazinskij V.I. Aerophysical and Aeronomical Experiments Aboard of Space Orbital Research
Module. Abstract of the 21st International Symposium on Rarefied Gas Dynamics. Marseille, France, July
26-31, 1998, p. 13.
38. Басс В.П. Постановка аэрономических и аэрофизических экспериментов в космосе. Техническая меха-
ника, 1999, № 1, с. 94-102.
39. Bass V.P. Physical and aeronomical experiments aboard the ISS. Косм1чна наука i технолопя, 2000, т. 6,
№ 4, с. 57-60.
40. Басс В.П., Бразинский В.И., Пилипенко А.П., Солодовник Л.Л. Патент РФ № 2108599. Способ опреде-
ления интегральных сечений рассеяния атомов и молекул. М.: Изобретения, 1998, № 10, с. 243.
41. Анфимов Н.А., Карабаджак Г.Ф., Пластинин Ю.А. Исследование характеристик взаимодействия про-
дуктов выхлопа жидкостных ракетных двигателей с верхними слоями атмосферы Земли в сериях кос-
мических экспериментов «Релаксация» с борта орбитальной станции «Мир». Космонавтика и ракето-
строение. М.: ЦНИИмаш, 2001, № 23, с. 49-68.
42. Пластинин Ю.А., Карабаджак Г.Ф. Изучение высокоскоростных столкновений атомарного кислорода
с молекулярными компонентами струй ЖРД в экспериментах на пилотируемых космических станци-
ях. Модели и методы аэродинамики. Материалы Пятой Международной школы-семинара. М.: МЦНМО,
2005, с. 100-101.
43. Басс В.П., Бразинский В.И., Пилипенко А.П. и др. Постановка и реализация натурных экспериментов
по исследованию процессов массопереноса в окрестности ИСЗ серии «Космос». Методы исследования
гиперзвуковых летательных аппаратов. Сб. докл. ежегодной научной школы-семинара ЦАГИ «Меха-
ника жидкости и газа» (25.02-01.03.1992 г.), 1994, ч. 5, с. 8.1-8.17.
44. Рыжов Ю.А. Внешняя атмосфера летательных аппаратов и ее взаимодействие с элементами конструк-
ции. Динамика разреженных газов и молекулярная газовая динамика. М.: МАИ, 1988, с. 3-12.
45. RijovYu.A. Problems of rarefied gas aerodynamics in full-scale experiments. N.Y. Plenum Press (Rarefied
Gas Dynamics), 1985, v. 5, pp. 401-412.
46. Белоцерковский М.Б., Бургасов М.П., Голубев E.H. и др. О формировании околообъектовой среды
летательных аппаратов. Тезисы VIII Всесоюзной конференции по ДРГ. М.: МАИ, 1985, т. 1, с. 110.
116 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
47. Барейсс Л.И. Метод расчета параметров собственной внешней атмосферы орбитальной станции
«Спейслэб». Ракетная техника и космонавтика, 1980, т. 9, № 2, с. 97-108.
48. Шоуэн С.Д., Мерфи Дж.Б., Пикет Дж.С. Первые результаты исследования плазменной среды, созда-
ваемой орбитальной ступенью КЛАМП «Спейс Шаттл» с помощью модуля диагностики плазмы. Аэ-
рокосмическая техника, 1985, № 5, с. 93-99.
49. Green B.D., Caledonia G.E., Wilkerson T.D. The Shuttle environment. AIAA Paper, 1984, № 546, pp. 1-48.
50. Leger L.I., Visentine I.T., Kaminecz I.F. Low Earth orbit atomic oxygen effects on surfaces. AIAA Paper,
1984, № 548, pp. 1-8.
51. Hafkemeyer H.P. Annalizer for exhaust plume impingement effects on spacecraft. SAE Technical Paper,
1983, № 831147, p. 14.
52. Жестков Б.Е. Гетерогенная рекомбинация атомов азота и кислорода на кварце и металлах. Тезисы
докл. VIII Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов. М.: МАИ, 1985, т. 2, с. 27.
53. Федотов В.А. Химическая адсорбция и ее влияние на газодинамические параметры. Тезисы докладов
VIII Всесоюзной конф, по динамике разреженных газов. М.: МАИ, 1985, т. 2, с. 33.
54. Shawhan S.D., Murphy G.B. Plasma diagnostics package of the STS-3 arbiter environment and system for
science. AIAA Paper, 1983, № 253, pp. 1-12.
55. Нусинов М.Д. Воздействие и моделирование космического вакуума. М.: Машиностроение, 1982, 175 с.
56. Мик Д., Крэге Д. Электрический пробой в газах. М.: ИЛ, 1960, 318 с.
57. Грошковский Я. Техника высокого вакуума. М.: Мир, 1975, 622 с.
58. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. М.: Высшая школа, 1982, 207 с.
59. Кучеренко Е.Т. Справочник по физическим основам вакуумной техники. Киев: Вища школа, 1981, 263 с.
60. Черепнин Н.В. Сорбционные явления в вакуумной технике. М.: Советское радио, 1973, 383 с.
61. Дэшман Э. Научные основы вакуумной техники. М.: Мир, 1965, 715 с.
62. Тенделенбург Э. Сверхвысокий вакуум. М.: Мир, 1966, 286 с.
63. Сорбционные процессы в вакууме. Под ред. Музникова К.Н. М.: Атомиздат, 1966, 313 с.
64. Михневич В.В., Кринберг Н.А., Яичников Л.П. Неоднородность параметров собственной атмосферы
ИСЗ и некоторые вопросы методики измерений на ИСЗ. Солнечно-атмосферные связи и геомагнитная
активность. М.: Ин-т прикл. геофиз., 1984, с. 113-117.
65. Кошмаров Ю.А., Рыжов Ю.А. Прикладная динамика разреженного газа. М.: Машиностроение, 1977,
184 с.
66. Аксютенко А.Н., Басс В.П., Бразинский В.И. и др. Экспериментальные и численные исследования
газодинамических процессов в негерметичных отсеках космических аппаратов. Техническая механи-
ка, 1999, №2, с. 13-24.
ГЛАВА 1.4
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ
КАНАЛОВ В СВОБОДНОМОЛЕКУЛЯРНОМ ПОТОКЕ
Новиков Л.С.1; Завилопуло А.Н.2; Тулинов Г.Ф.3, Романовский Ю.А.3
1 НИИ ядерной физики МГУ
2 Институт электронной физики НАН Украины
3 Институт прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова Росгидромета
Список сокращений
КА космический аппарат
СВА собственная внешняя атмосфера
ВВЕДЕНИЕ
Создание негерметизированных космических аппаратов (КА) сопряжено с необ-
ходимостью анализа истечения газа из внутренних полузакрытых полостей и про-
никновения газовых потоков в такие полости из внешней среды. В реальных конст-
рукциях КА каналы, соединяющие внутренние полости с внешней средой, могут
иметь достаточно сложную конфигурацию (изогнутые цилиндрические трубки
переменного сечения с диафрагмами и экранами, щели различного профиля и т. п.).
Поэтому при анализе газообмена внутренних полостей с окружающей средой тре-
буется иметь данные о проводимости каналов соответствующей конфигурации.
Вопросы газообмена полузакрытых полостей с внешней средой чрезвычайно важны
также при проведении измерений параметров верхней атмосферы с помощью ма-
нометров и масс-спектрометров, устанавливаемых на спутниках и геофизических
ракетах.
118
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Следует учитывать, что проводимость канала по отношению к внешнему газо-
вому потоку и величина потока, проникающего во внутреннюю полость, сильно
зависят от ориентации входного отверстия канала относительно вектора скорости
КА. В некоторых случаях, как показали исследования, входящий в полость газовый
поток может не претерпевать полной термализации. Тогда ориентационные эффек-
ты приходится учитывать и при определении проводимости каналов для выходяще-
го из полости потока. На проводимость каналов существенное влияние оказывает
характер отражения газовых частиц от стенок. В общем случае отражение является
зеркально-диффузным. Степень приближения к предельным случаям зеркального
или диффузного рассеяния зависит от структуры рассеивающей поверхности, ее
температуры, вида и температуры рассеиваемого газового потока и некоторых дру-
гих факторов.
В настоящей главе описаны методы расчета проводимости каналов для режима
свободномолекулярного течения газа, который характерен для условий эксплуа-
тации КА после окончания короткого периода начального обезгаживания после
запуска. Приведены результаты расчетов для каналов разной конфигурации. Рас-
четные данные сопоставляются с результатами лабораторных исследований, вы-
полненных на газодинамическом источнике молекулярного пучка, и с результатами
натурных экспериментов.
1.4.1. Аналитический расчет проводимости каналов
1.4.1.1. Постановка задачи
Будем рассматривать полость объема К, сообщающуюся с внешней газовой сре-
дой трубкой, которая в общем случае может быть изогнута различным образом, мо-
Рис. 1.4.1. Модель негерметизированной
полости КА
жет содержать диафрагмы, экраны и т. п.
(рис. 1.4.1). Прямую цилиндрическую трубку,
показанную на рис. 1.4.1, будем характеризо-
вать параметром D = 2r/l, где г и I - внутрен-
ний радиус и длина трубки соответственно.
Пусть изображенный на рис. 1.4.1 объект, под
которым можно понимать негерметизирован-
ный КА или какой-либо его элемент, в том
числе установленный на аппарате измеритель-
ный прибор, движется относительно газа со
скоростью и. Угол между вектором и и нор-
малью к плоскости входного отверстия п0 называется углом атаки. Стенки полости
имеют температуру Тп, отличную от температуры внешней газовой среды (атмо-
сферы) Та,
При анализе взаимодействия негерметизированной полости с окружающей газо-
вой средой необходимо, в общем случае, рассматривать потоки частиц следующих
видов: поступающих на входное отверстие трубки из окружающего пространства за
счет собственного теплового движения частиц и направленного движения объекта,
ГЛАВА 1.4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ КАНАЛОВ...
119
отраженных от поверхности объекта и десорбируемых с его поверхности, десорби-
руемых с внутренних стенок полости. Будем рассматривать эти потоки для свобод-
номолекулярного течения газа, при котором отношение длины свободного пробега
молекул к характерному размеру объекта (число Кнудсена) велико. Такой режим те-
чения газа реализуется при полете КА в верхней атмосфере Земли на высотах более
150-200 км. Указанное условие может нарушаться при наличии у КА достаточно
плотной собственной внешней атмосферы (СВА), например, в период интенсивного
обезгаживания аппарата после запуска.
Задача о взаимодействии рассматриваемого объекта с внешней газовой средой
сводится фактически к вычислению двух потоков частиц: потока Q\, входящего из
внешнего пространства в полость объекта, и потока 22, выходящего из полости.
Функциональная связь давления газа внутри полости Рп с давлением в окружаю-
щем пространстве Ра находится для установившегося состояния из условия
Q\ = Qi-
Сравнительно просто задача решается для полости, сообщающейся с атмосфе-
рой отверстием, т. е. при I = 0, D = оо. В предположении, что распределение моле-
кул по скоростям в атмосфере и внутри полости является максвелловским, отраже-
ние частиц от стенок имеет диффузный характер, коэффициент аккомодации равен
единице, а указанные выше фоновые потоки, обусловленные отражением частиц от
поверхности объекта и процессами десорбции, отсутствуют, получены следующие
выражения для прямого и обратного потоков при единичной площади входного
отверстия [1,2]:
п v п v
а=-^Х(Р), (1-4.1)
где па, va - концентрация и наиболее вероятная скорость газовых частиц в атмосфере
при температуре Та\ пп, vn - те же параметры газовой среды внутри полости при тем-
пературе Тп.
Из (1.4.1) следует:
р (т V72
7-= Х(Р), (1-4.2)
где р = 5cos^; 5 = u/va\
%(Р) = ехр(-р2) + рТл (1 + erf(P));
Р
erf(P) = 2л/л |ехр(-р2)б£г - интеграл ошибок.
о
Параметр S, называемый обычно скоростным отношением, характеризует на-
правленное макроскопическое движение газа.
При наличии трубки не все частицы, попадающие в ее входное отверстие, дости-
гают выходного отверстия. Усредненная по параметрам частиц и поперечному сече-
нию трубки вероятность сквозного прохождения частицей трубки после ряда столк-
новений со стенками характеризуется коэффициентом Клаузинга [1-3] (коэффициен-
том проводимости), который равен отношению выходящего из трубки в прямом
120
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
направлении потока частиц к потоку, падающему на ее входное отверстие. С учетом
этого параметра решение задачи для полости, имеющей входную трубку, получено в
виде [4, 5]:
Ра \Та) K(0,D) ’
(1.4.3)
где K(S,D, Q - коэффициент Клаузинга для потока, падающего на входное отверстие
трубки из атмосферы; А^(0,£>) - коэффициент Клаузинга для потока, выходящего из
полости (5=0).
Для удобства последующего рассмотрения будем использовать также функции:
T(5,D,Q =
л:(о,/)) ’
(1.4.4)
Жад = х(РЖ^ад
Расчет коэффициентов Клаузинга представляет одну из основных трудностей
при анализе взаимодействия негерметизированной полости с молекулярным пото-
ком и обычно выделяется в самостоятельную задачу.
1.4.1.2. Расчет коэффициентов проводимости цилиндрических трубок
при произвольных углах атаки
Аналитический расчет коэффициентов Клаузинга возможен как для случая макро-
скопически покоящегося газа (5 = 0), так и для случая 5^0. Расчет основывается на
классической методике [2, 3] вычисления потока частиц между двумя поверхностя-
ми. Поток находится интегрированием функции распределения частиц на излучаю-
щей поверхности по телесному углу и площадям поверхностей с учетом их взаимной
ориентации. С помощью этой методики в [4] задача была решена для максвелловско-
го потока, движущегося параллельно оси трубки, т. е. для случая 5 Ф 0, £, = 0.
Методика, позволяющая производить расчет коэффициентов проводимости ци-
линдрических трубок для любых значений угла атаки, была предложена в [5]. Ис-
пользованный в этой работе прием, позволивший упростить уравнения и получить
решение для случая 0, состоит в том, что сначала задача решается для моноскоро-
стного газового потока, движущегося со скоростью и под некоторым углом к оси
трубки, а затем на полученное решение накладывается истинная функция распреде-
ления частиц по скоростям.
По этой методике были рассчитаны коэффициенты Клаузинга для цилиндриче-
ских трубок с различными геометрическими параметрами [6, 7]. Был получен значи-
тельный массив данных, в том числе для диапазона углов атаки £, = 90-180°, который
может эффективно использоваться, в частности, при проведении ракетных экспери-
ментов. Если для приборов, устанавливаемых на ИСЗ, при углах атаки £, > 90° поток
частиц на входное отверстие становится слишком малым из-за высокого скоростного
отношения (5~ 10) и, кроме того, входное отверстие при таких углах атаки обычно
оказывается в области молекулярной тени, создаваемой корпусом ИСЗ [8,21], то в
ракетных экспериментах при £, = 90-180° часто возможно нормальное функциониро-
вание приборов. При измерениях на ракетах, стабилизированных вращением вокруг
ГЛАВА 1.4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ КАНАЛОВ...
121
продольной оси, углы атаки различным
образом ориентированных приборов могут
принимать любые значения от 0 до 180°
без затенения приборов корпусом ракеты.
А из-за относительно малого скоростного
отношения на участке проведения измере-
ний (S < 3) давление внутри прибора при
углах атаки > 90° лежит в пределах его
рабочего диапазона.
На рис. 1.4.2 приведены некоторые ре-
зультаты расчета функций R(S,D,Q и
для цилиндрической трубки с
D = 0,4 в диапазонах значений ^ = 0-180°
и S =0,3-3, соответствующих условиям
измерений на геофизических ракетах
МР-12 [7]. Цифрами у кривых указаны зна-
чения S.
1.4.1.З. Эффект газодинамической
инерционности
Процесс установления равновесного
давления внутри полости при периодиче-
ском изменении угла атаки, например,
вследствие вращения КА, зависит от газо-
динамической постоянной времени т сис-
темы «канал-полость». Если величина т
значительна по сравнению с периодом
Рис. 1.4.2. Зависимость функций
R(S,D,Q (а) и '¥(S,D,Q (б) от угла атаки %
вращения КА, то давление внутри полости в каждый момент времени не будет со-
ответствовать равновесному состоянию. Иными словами, амплитуда модуляции
давления внутри полости уменьшится за счет газодинамической инерционности
рассматриваемой системы. Изложенная выше расчетная методика позволяет оце-
нить влияние этого фактора на газообмен полости с внешней средой.
Используя (1.4.1)-(1.4.4), для неустановившегося состояния можно записать:
dPn s0 *(0,£>)
dt V 2^
Pava^R{S,D^-Pnvn
Ч 7 а
(1.4.5)
где so - площадь поперечного сечения входной трубки.
При этом предполагается, что время термализации газа в полости много меньше
времени, характеризующего изменение набегающего потока. Решая уравнение
(1.4.5), найдем, что давление внутри полости изменяется по экспоненциальному
закону с постоянной времени
Х~ s.vnK(fi,D)
(1.4.6)
122
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
При D —> оо коэффициент K(0,D) —> 1, и (1.4.6) переходит в выражение, получен-
ное в [1] для полости без входной трубки.
В качестве примера определим с помощью (1.4.6) газодинамическую постоянную
времени манометрического преобразователя ММ-18, применявшегося в ракетных
экспериментах [9, 10]. Используя значения параметров преобразователя: К=50см3;
/ = 4,5 см; г = 0,9 см (D = 0,4), получим из (1.4.6) т = 5,8-10~3 с.
Зная величину т, нетрудно оценить искажения кривой модуляции давления, вно-
симые газодинамической инерционностью преобразователя. При малых значениях
5, как видно из рис. 1.4.2, модуляция давления внутри преобразователя, обуслов-
ленная вращением ракеты, достаточно точно описывается функцией косинуса. Для
этого случая параметры кривой модуляции давления в установившемся состоянии
определяются соотношениями:
— = (1 + т2со2 )-1/2, ср = arctg сот. (1.4.7)
^0
Здесь Рх - амплитуда переменной составляющей давления внутри преобразователя,
имеющего постоянную времени т; Ро - амплитуда переменной составляющей в слу-
чае т = 0; ср - фазовый угол, на который функция давления внутри преобразователя
прибора при т Ф 0 отстает от соответствующей функции для случая т = 0.
В табл. 1.4.1 приведены величины Px/Pq и ср, рассчитанные для разных значений т
при круговой частоте со = 31,3, соответствующей частоте вращения ракеты 5 с-1.
Таблица 1.4.1
Параметры кривой модуляции давления
при разных значениях постоянной времени преобразователя т
т, с 110'3 540"3 1-10'2 5-Ю"2 НО'1
Рх/Ро 1 0,99 0,95 0,54 0,30
Ф, град. 1,8 9 17 57 72
При больших значениях S форма кривой модуляции давления внутри преобразо-
вателя может существенно отличаться от косинусоиды. В этом случае необходимо
провести расчет для реальной кривой. После ряда преобразований, рассмотренных
в [11], из уравнений (1.4.3)-( 1.4.4) можно получить выражение, описывающее моду-
ляцию функции R(S,D, £>) для случая т * 0:
R, (S, D£) = — fexp | — (х - £) | R(S, D, x) dx +
2тст * ^2лт J
(1.4.8)
ехР(т~£)
2тст
ехр(/ / т) — 1
-Я rji f m \
f----exp ------x R(S,D,x) dx.
• 2тст I 2tct J
Здесь T - период вращения носителя, x - независимая переменная, а 5, = 2л//т, т. е.
рассмотрен предельный случай, когда угол атаки входного канала полости изменяет-
ГЛАВА 1.4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ КАНАЛОВ...
123
ся при вращении носителя от 0 до 2л. На
рис. 1.4.3 показана зависимость функции
RX(S, £,£>) от угла £>, рассчитанная по
(1.4.8) для разных значений т при Т= 0,2 с;
5 = 2; £ = 0,4.
Из табл. 1.4.1 и рис. 1.4.3 видно, что
при т<5-10"3 с амплитудные и фазовые
искажения кривой модуляции давления
внутри измерительного прибора для усло-
вий ракетного эксперимента невелики.
Однако при больших объемах V рассмат-
риваемых полостей искажения, обуслов-
ленные газодинамической инерционно-
стью, могут быть значительными. Изло-
женная расчетная методика позволяет их
оценить для различных параметров конст-
рукции и условий полета КА.
Рис. 1.4.3. Амплитудные и фазовые
искажения кривой модуляции давления
в полости при разных значениях постоянной
времени т, [с]: 1 - 0; 2 - 510-3; 3 - 1-Ю’2;
д-глю^з-з-цг^б-ьцг1
1.4.2. Численное моделирование движения частиц в каналах
В реальных конструкциях КА, как уже отмечалось, каналы, соединяющие негер-
метизированные полости с внешней средой, могут иметь достаточно сложную кон-
фигурацию. Аналитический расчет коэффициентов проводимости таких каналов для
молекулярного потока невозможен. Поэтому для решения задачи приходится прибе-
гать к численным методам, среди которых наиболее универсальным и эффективным
при решении задач рассматриваемого класса является метод статистических испыта-
ний (метод Монте-Карло), широко применяемый при расчете вакуумных систем, где
течение газа характеризуется условием S = 0 [2, 3]. Достоинствами метода, наряду с
Рис. 1.4.4. Усложненная
конфигурация полости
с входным каналом
возможностью вычисления коэффициентов Клау-
зинга для каналов практически любой конфигу-
рации, являются также простота вычислительного
алгоритма, возможность моделирования потока при
произвольно задаваемых законах взаимодействия
частиц со стенкой, возможность получения разно-
образной информации о характеристиках потока
внутри канала.
Здесь рассмотрим применение метода Монте-
Карло для моделирования течения молекулярных по-
токов в каналах сложной конфигурации при 5^0.
Усложним геометрию системы «канал-полость» по
сравнению со случаем, показанным на рис. 1.4.1. Те-
перь цилиндрическая входная трубка (1Х + /2) изогнута
под углом Ф (рис. 1.4.4), причем на ее входе и выходе
могут быть установлены диафрагмы с радиусами от-
124
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
верстий г\ и г2 соответственно. Полость имеет квадратное сечение со стороной 2А и
длину /3 + /4. На расстоянии /3 от передней стенки полости установлен круглый экран
радиусом 7?о-
Для расчета потока, падающего на входное сечение канала, удобно записать
функцию распределения частиц по скоростям с использованием безразмерных пе-
ременных:
F(V) = n-3/2cxp(-(V-S)2), (1.4.9)
где V = v/va, S = и/va, а функция F(V) отвечает условию нормировки:
JF(V) d3V = 1.
Рассматривая движение частиц в декартовой системе координат, ось z которой
направлена по оси входного участка трубки /1 (рис. 1.4.4), запишем выражение, опре-
деляющее плотность вероятности попадания частицы со скоростью V во входное
сечение канала, в виде:
P(V) = C|KZ|F(V), Г2<0, (1.4.10)
где С - нормировочная константа.
Для статистического моделирования распределения P(V) представим его в трех-
компонентной форме:
Р(У) = Рх(Ух)Ру(Уу)Р2(У2\ (1.4.11)
Формулы, с помощью которых разыгрываются составляющие скорости Vx, Vy, V2
и вычисляется нормировочная константа С, приведены в [12, 13].
Координаты точки попадания частицы во входное отверстие канала удобнее ра-
зыгрывать с использованием полярных координат (р, (р). Тогда случайные значения
независимых переменных р и (р определяются соотношениями:
р ф
p’pOlWn = Yi> = Y2> (1.4.12)
о о
где Yi и у2 - случайные величины, равномерно распределенные на отрезке [0; 1].
Таким образом, выражения (1.4.10) и (1.4.12) определяют направление вектора
скорости частицы и положение точки попадания частицы во входное отверстие кана-
ла. Далее необходимо определить координаты точки столкновения частицы со стен-
кой канала. Эта операция осуществляется на основании достаточно простых геомет-
рических соотношений [12, 13]. Затем в найденной точке столкновения частицы со
стенкой нужно разыграть направляющие косинусы вектора скорости частицы при ее
дальнейшем движении, для чего следует задать определенную физическую модель
рассеяния частиц.
В общем случае, как отмечалось выше, отражение молекул от стенок имеет зер-
кально-диффузный характер. С учетом этого была предложена методика моделиро-
вания диаграммы рассеяния частиц, позволяющая при необходимости варьировать
закон рассеяния от зеркального до диффузного и исследовать влияние этого фактора
на движение частиц в канале [13].
ГЛАВА 1.4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ КАНАЛОВ...
125
Будем полагать, что при зеркально-диффузном рассеянии частиц преимущест-
венное направление рассеяния совпадает с направлением зеркального отражения, а
пространственное распределение рассеянных частиц азимутально симметрично
относительно этого направления. Тогда можно представить угловое распределение
рассеянных частиц в виде:
dW = Л(к,к0) 0(k,ko)exp
(к к°И 0(k,n) d£l,
2ст )
(1.4.13)
Рис. 1.4.5. Индикатрисы
рассеяния частиц при
зеркально-диффузном
отражении, рассчитанные
при разных значениях а:
1-оо; 2 - 1,0; 3-0,2;
4-0,05; 5-0,02
где А - нормировочный множитель; к - единичный вектор скорости частицы после
столкновения со стенкой; к0 - то же, для направления зеркального отражения; и -
нормаль к поверхности стенки в точке столкновения; 0 - угол между соответствую-
щими векторами; dQ. - элементарный телесный угол в окрестности к.
Параметр а в (1.4.13) определяет вид индикатрисы рассеяния частиц. При а = 0
распределение (1.4.13) описывает случай зеркального отражения, а при а —> оо оно
переходит в распределение для диффузного рассеяния.
Вид индикатрисы рассеяния (1.4.13), характеризуемой
плотностью распределения Р(0), при 0 < 0 < тс / 2 показан
на рис. 1.4.5.
При последующих столкновениях частицы со стен-
кой канала процедура розыгрыша нового направления
движения частицы, основанная на рассмотренной мо-
дели рассеяния, повторяется до тех пор, пока частица
не пройдет насквозь отслеживаемый участок канала
либо не вылетит назад через входное отверстие.
Задавая закон взаимодействия частиц со стенкой,
наряду с моделью рассеяния можно ввести вероятность
гибели или изменения состояния частицы, причем па-
раметры этих процессов могут быть неодинаковы на
разных участках поверхности канала или полости.
В расчетах [12, 13] для определения коэффициентов
Клаузинга и характеристик потока внутри канала разыг-
рывалось от 103 до 104 траекторий частиц, при этом ста-
тистическая погрешность расчетов для каналов разной
степени сложности составляла 1-5%.
Некоторые результаты расчетов приведены на
рис. 1.4.6. Рис. 1.4.6а характеризует различие зависимостей коэффициента Клаузинга
от скоростного отношения S для прямой трубки (Ф = 180°) и для трубки, изогнутой
под прямым углом (Ф = 90°), при одинаковой длине трубок в случае движения моле-
кулярного потока вдоль оси входного участка трубки (£, = 0) и диффузного отражения
частиц от стенок. Номера кривых соответствуют следующим значениям D: 1-1,0;
2-0,66; 3-0,4; 4-0,2; 5-0,1.
Рис. 1.4.66, на котором приведены аналогичные зависимости, рассчитанные для
случая £> = 60°, свидетельствует о снижении влияния на величину коэффициента
Клаузинга изгиба канала при увеличении угла атаки Е>, в особенности для длинных
каналов.
126 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Такой же вывод может быть сделан на основании данных, представленных на
рис. 1.4.6в, относительно влияния на величину коэффициента Клаузинга введения в
измерительную камеру круглого экрана (см. рис. 1.4.4).
Рис. 1.4.6. Результаты расчета методом Монте-Карло коэффициентов Клаузинга
для каналов сложной конфигурации
ГЛАВА 1.4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ КАНАЛОВ...
127
На рис. 1.4.6г показана зависимость коэффициента Клаузинга от скоростного от-
ношения S для прямой трубки с геометрическим параметром D - 0,4 (пунктирная
кривая) при диффузном отражении частиц от стенок и приведены аналогичные зави-
симости для такой же трубки, но имеющей диафрагмы различного диаметра на входе
или на выходе (сплошные кривые). Номера сплошных кривых соответствуют сле-
дующим значениям отношений г\/г и ri/r'. 1 - 0,1; 2 - 0,25; 3 - 0,5; 4 - 0,8. Видно,
что при установке диафрагмы на входном торце трубки коэффициент Клаузинга уве-
личивается, причем тем больше, чем меньше диаметр диафрагмы. Это объясняется
тем, что диафрагма препятствует обратному вылету частиц из трубки. При установке
диафрагмы на выходном конце канала ее влияние становится противоположным.
Рис. 1.4.6д иллюстрирует влияние на коэффициент Клаузинга характера отра-
жения частиц от стенок канала и свидетельствует о корректности аппроксимации
(1.4.13), использованной для описания зеркально-диффузного рассеяния частиц.
Расчет выполнен для изогнутой трубки при Ф = 90° и D - 0,4.
Задавая закон взаимодействия частиц со стенками канала, можно ввести коэффи-
циент гибели частиц ц, под которым понимается вероятность исчезновения частицы
рассматриваемого вида (т. е. ее поглощения или изменения состояния) при столкно-
вении со стенкой. Уменьшение коэффициента Клаузинга за счет этого фактора ил-
люстрируется рис. 1.4.бе, на котором представлены результаты расчета для случая
зеркального отражения при Ф = 90°; £> = 0, когда в отсутствие гибели частиц (ц = 0)
коэффициент Клаузинга не зависит от длины канала. Однако с увеличением его дли-
ны, т. е. с уменьшением параметра D, растет число столкновений частиц со стенками
при прохождении канала, что вызывает более значительное уменьшение коэффици-
ента Клаузинга для длинных трубок при фиксированном значении ц = 0,2. Здесь
номерам около пунктирных кривых соответствуют следующие значения /1 = /2: 1 -
1,1; 2 - 1,5; 3 - 2,5; 4 - 5,0; 5 - 10,0. Во всех случаях г - 1. В верхней части рис. 1.4.бе
представлены также результаты расчета для прямой трубки (Ф = 180°) при зеркаль-
ном отражении частиц и 5, = 30°, показывающие изменение коэффициента Клаузинга
с изменением длины трубки.
Реализованная программа позволяет отслеживать движение частиц в полости
прибора (область /4 на рис. 1.4.4) вплоть до их обратного вылета через входную труб-
ку в атмосферу. Таким способом были рассчитаны при разных условиях падения
первичного потока истинные значения коэффициента Клаузинга для обратного пото-
ка, выходящего из полости. Для упоминавшегося выше манометрического датчика
ММ-18 при 5=0-10 и 5, = 0-60° отличия полученных истинных значений от значе-
ния коэффициента Д0,£)) составляют не более 10%, что является прямым подтверж-
дением корректности использования коэффициента по отношению к обрат-
ному потоку при обработке манометрической информации.
В этой связи отметим, что полученное в расчетах среднее число столкновений
частиц со стенками входной трубки датчика ММ-18 составляет -5, тогда как число
столкновений со стенками внутри его рабочей камеры - около 40, т. е. в данной гео-
метрии обеспечиваются хорошие условия для термализации входящего в прибор га-
зового потока.
Для некоторых полостей, имеющих короткую и широкую входную трубку, эти
условия, как показано ниже, могут нарушаться.
128
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.4.3. Лабораторные исследования газодинамических характеристик зондов
давления
Геометрические модели, изображенные на рис. 1.4.1 и 1.4.4, типичны для зондов
давления, применяемых в ракетных и спутниковых экспериментах. Манометриче-
ский преобразователь является зондом суммарного давления, создаваемого всеми
газовыми компонентами окружающей среды, а масс-спектрометрический преобразо-
ватель - зондом парциальных давлений отдельных газов. Лабораторные градуировки
таких зондов на молекулярных пучках позволяют исследовать основные закономер-
ности взаимодействия движущегося газа с системой «канал-полость» и получить
значения коэффициентов Клаузинга для различных условий взаимодействия.
Такие исследования весьма важны, поскольку рассмотренные расчетные методы
могут давать результаты, не соответствующие в полной мере реальной ситуации, из-
за недостаточной достоверности используемых моделей рассеяния частиц, значений
коэффициента гибели частиц, а также из-за неучета в расчетах процессов десорбции
газа с внутренних стенок канала и полости.
1.4.3.1. Методика измерений
Градуировки приборов были проведены на газодинамическом источнике молеку-
лярного пучка, созданном в Ужгородском государственном университете [14]. Дей-
ствие источника, состоящего из трех независимо откачиваемых камер (рис. 1.4.7),
основано на ускорении газа при быстром его расширении из области с высоким дав-
лением в область низкого давления. Молекулярный пучок формируется при истече-
нии газа из системы напуска 1 через расположенные в первой камере сопло 2 и вход-
ной конус коллиматора (сепаратор) 3 во вторую камеру, где поддерживается давле-
Рис. 1.4.7. Схема эксперимента на газодинамическом источнике
молекулярного пучка: I, II, Ш - камеры дифференциальной откачки;
1 - система напуска газа; 2 - сопло; 3,4- коллиматор;
5 - исследуемый датчик с входными элементами 6, 7;
8 - регулируемая входная диафрагма; 9 - заслонка;
10 - устройство для юстировки; 11 - криопанели
ГЛАВА 1.4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ КАНАЛОВ...129
ние в пределах 10~4-10"5 торр. Далее поток газа через выходной конус коллиматора 4
направляется в откачиваемую до 10"6-10"7 торр третью камеру, в которой располага-
ется исследуемый прибор 5 с входной камерой 6 и внутренней диафрагмой 7. Диа-
метр сформированного молекулярного пучка составляет в плоскости входного отвер-
стия прибора около 8 мм, что меньше диаметров входных отверстий исследовавшихся
датчиков (от 14 до 45 мм). Поэтому при измерениях на их входную трубку устанав-
ливалась регулируемая диафрагма 8, что, с одной стороны, позволяло обеспечить
падение пучка на всю площадь открытого торца входной трубки, а с другой стороны,
давало дополнительные возможности для варьирования условий эксперимента. В
процессе измерений пучок мог перекрываться заслонкой 9, помещаемой между вы-
ходным конусом коллиматора 4 и диафрагмой 8. Для юстировки установки исполь-
зовалось оптическое устройство 10. С помощью криопанелей 11 предотвращалось
попадание паров масла из тракта откачки в рабочие объемы камер I, II, III.
Интенсивность пучка и концентрация частиц в пучке измерялись специальными
зондами, а его скорость - времяпролетным методом. С помощью одной из разновид-
ностей этого метода, основанной на создании в пучке сгустков метастабильных час-
тиц путем периодического включения импульсной электронной пушки [15], исследо-
валась функция распределения по скоростям частиц пучка, что позволяло определить
температуру газа в пучке.
Параметры использовавшихся в экспериментах молекулярных пучков приведе-
ны в табл. 1.4.2, где даны значения массовой скорости пучков w, температуры газа в
пучках Т, скоростного отношения S и концентрации частиц в пучках и. Применение
смесей легких газов (Н2, Не) с тяжелыми (N2, О2, Аг, СО2) позволяло увеличить ско-
рости последних по сравнению с приведенными в табл. 1.4.2.
Таблица 1.4.2
Параметры молекулярных пучков
Газ и, м-с"1 ТтК S п, 10|6м"3
Не 2400 85 4,0 3,0
n2 800 115 3,1 1,8
02 730 ПО 3,1 2,2
Аг 620 95 3,1 1,3
со2 650 85 3,6 1,7
1.4.3.2. Результаты и обсуждение
На рис. 1.4.8а приведены зависимости давления Рп в камере манометрического
преобразователя ММ-18 от диаметра входной диафрагмы d=2ri, полученные для
указанных в табл. 1.4.2 молекулярных пучков с учетом реальной чувствительности
манометра к разным газам. Значения Рп определялись как разность показаний мано-
метра при открытой заслонке 9 (сигнал пучка + фоновое давление в эксперименталь-
ной камере) и при закрытой заслонке (фоновое давление). На полученных зависимо-
130
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
стях можно выделить три характерные об-
ласти, разделенные вертикальными штрихо-
выми линиями: I - при d < 5 мм наблюдает-
ся некоторый «провал» на кривых, II - при
значениях d = 5-8 мм происходит монотон-
ный подъем кривых, III - область замедле-
ния роста Рп с увеличением d.
На рис. 1.4.86 показано изменение дав-
ления внутри манометрических преобразо-
вателей двух типов в зависимости от диа-
метра входной диафрагмы, наблюдавшееся
при отсутствии молекулярных пучков
(S = 0). Экспериментальные данные свиде-
тельствуют о незначительном уменьшении
давления внутри приборов с уменьшением
d, а при значениях d < 4 мм наблюдается
увеличение давления.
Для интерпретации результатов испыта-
ний приборов с диафрагмированными вход-
ными трубками был выполнен расчет коэф-
фициентов Клаузинга по методике, изло-
женной в разд. 1.4.2, применительно к
трубкам с диафрагмами на входе и на вы-
ходе. Диафрагма, установленная на входном
торце трубки, увеличивает вероятность
сквозного прохождения через трубку частиц
набегающего газового потока, падающих на
входное отверстие. А для частиц, выходя-
щих из прибора, диафрагма является допол-
нительным препятствием. Заметим, что по
отношению к потоку этих частиц диафрагма
находится на выходном конце трубки.
В результате величина
Рис. 1.4.8. Изменение давления Рп внутри
манометрических датчиков в зависимости
от диаметра входной диафрагмы:
сплошные кривые - экспериментальные
данные, пунктирные кривые -
результаты расчета
4{S)=K<S’D’V
K(Q,D)
растет с уменьшением диаметра диафрагмы. Однако количество частиц, проходящих
через трубку, пропорционально площади отверстия, на которое падают частицы. По-
этому для прибора с диафрагмой на входном торце патрубка в выражении (1.4.3)
должна фигурировать величина T(5)ri2/г2, где - радиус отверстия в диафрагме,
г - внутренний радиус трубки.
На рис. 1.4.9 приведены зависимости величин Т(5) и Т(5)Г12/г2 от относительно-
го размера диафрагмы г\/г, рассчитанные для датчика ММ-18 (D = 0,4) при разных
значениях 5, которые указаны цифрами около сплошных кривых. Там же пунктиром
показаны значения отношения г^/г2. Видно, что функция T(5)ri2 /г2, являющаяся
ГЛАВА 1.4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ КАНАЛОВ...
131
произведением двух противопо-
ложно зависящих от г\/г величин,
имеет минимум при значениях
П 1г = 0,2-0,3.
Экспериментальные результа-
ты, приведенные на рис. 1.4.86,
соответствуют кривой
при 5=0. Расчетное изменение
давления в датчиках относительно
значения Рп при г\/г= 1 показано
на рис. 1.4.96 пунктиром. Экспе-
риментальные и расчетные данные
находятся в достаточно хорошем
согласии, включая положение ми-
нимума на кривых относительно
значений г\ / г.
Вид экспериментальных кри-
вых, полученных для молекуляр-
ных пучков при 5^0 (рис. 1.4.8а),
хуже согласуется с теоретически-
ми зависимостями. Уменьшение
давления в приборе при d = 2-5 мм
(область I) здесь менее выражено,
что, возможно, объясняется осо-
бенностями взаимодействия мо-
лекулярного потока с диафрагмой
Рис. 1.4.9. Расчетные зависимости величин Ч'(У) и
от относительного размера диафрагмы
конечной толщины. А прекращение роста давления в приборе и даже некоторое его
уменьшение при d > 8 мм (область III) связано с тем, что диаметр диафрагмы стано-
вится больше диаметра молекулярного пучка. Теоретический ход кривых, продол-
женных из области II в область III, показан на рис. 1.4.8а для N2 и О2 пунктиром.
Наиболее пригодны для сопоставления с теоретическими зависимостями участки
экспериментальных кривых в области II. По экспериментальным значениям давления
Рп, лежащим в этой области, были определены для разных молекулярных пучков ве-
личины функции:
Р
а У п
связывающей согласно (1.4.3) и (1.4.4) значения давления газа в приборе и в молеку-
лярном пучке. При этом давление Ра рассчитывалось по уравнению состояния газа на
основании приведенных в табл. 1.4.2 значений п и Та.
В табл. 1.4.3 приведены для разных газов давления Рп, измеренные при d = 7 мм,
давления в пучках Ра и найденные значения 7?(5)э. В последней колонке таблицы
приведены рассчитанные теоретически значения функции
Ж>Т=Х(£)
K(0,D)
132
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.4.3
Сопоставление экспериментальных и расчетных данных
Газ Рп, 10 6 торр Ра, 10 7 торр /?(S), /?(S)T
Не 7,6 2,6 15,7 16,9
n2 3,8 2,1 и,з 12,3
О2 4,6 2,5 н,з 12,2
Аг 2,4 1,3 10,5 12,4
со2 3,6 1,5 12,9 14,7
Меньшие величины R (5)э по сравнению с R (5)т объясняются, скорее всего, за-
вышенными из-за неравномерного распределения частиц по сечению пучков дан-
ными о концентрации частиц п (табл. 1.4.2), на основании которых рассчитывались
давления в пучках.
На рис. 1.4.10а показано изменение давления в приборе (манометрический преоб-
разователь ММ-18) в зависимости от угла атаки для разных молекулярных пучков.
Точками показаны экспериментальные результаты, пунктирными кривыми - теоре-
тические зависимости. Здесь наблюдается весьма хорошее согласие эксперименталь-
ных и расчетных данных.
Однако данные, приведенные на этом рисунке, получены в стационарных усло-
виях, т. е. они не позволяют судить об искажениях кривых модуляции давления за
счет газодинамической инерционности измерительных приборов и сорбционных
процессов на их внутренних стенках.
Для получения информации о таких искажениях были выполнены измерения га-
зодинамической постоянной времени манометров т на разных молекулярных пучках.
В измерениях использовалась методика модуляции пучка вращающимся диском с
прорезями, применявшаяся ранее при аналогичных измерениях на эффузионном
источнике [16]. При этом отношение максимального давления на входе прибора к
минимальному составляло —5—10, а частота модуляции могла изменяться в пределах
1-150 Гц.
Величина т определялась по длительности фронтов импульса давления внутри
прибора. Полученные на основании экспериментальных данных значения т нахо-
дятся в хорошем согласии с расчетными значениями. Например, для датчика
ММ-18, как указывалось выше, расчетное значение т по отношению к пучку N2 со-
ставляет 5,8-10“3 с, а в разных сериях экспериментов получены значения, лежащие в
пределах (5,4-6,5)-10-3 с.
Такое согласие экспериментальных и расчетных данных позволяет сделать за-
ключение, что в условиях описываемого лабораторного эксперимента, которые близ-
ки к условиям измерений на ракетах, сорбционные процессы на внутренних стенках
датчика не искажают заметным образом форму кривой модуляции давления.
Сделанный вывод подтверждается данными, приведенными на рис. 1.4.106, где
показана измеренная для разных газов зависимость от частоты модуляции f отноше-
ния амплитуды переменной составляющей давления внутри прибора Рп к амплитуде
ГЛАВА 1.4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ КАНАЛОВ...
133
импульсов давления Ро, создаваемых на
входе прибора. В эксперименте на входе
прибора формировались прямоугольные
импульсы давления, но измерялась ампли-
туда первой гармоники выходного сигна-
ла, что делает достаточно корректным
сопоставление экспериментальных дан-
ных с результатами расчета для синусои-
дального изменения давления по (1.4.7).
На рис. 1.4.106 пунктиром показана рас-
четная зависимость Рп /Pq от f для N2,
хорошо согласующаяся с эксперименталь-
ными результатами. Различный наклон
кривых на рис. 1.4.106 для разных газов
объясняется зависимостью газодинамиче-
ской постоянной прибора (1.4.6) от моле-
кулярной массы газа М. При частоте моду-
ляции /« 100 Гц, когда справедливо усло-
вие (1 / т)2со2, согласно (1.4.6) и (1.4.7)
должно выполняться соотношение:
Д_= 1м[
РП2
Экспериментальные данные подтверждают
правильность этого расчетного соотно-
шения.
Измерения и расчеты, аналогичные рас-
смотренным выше, были выполнены также
и для масс-спектрометра MX 6407П. Одна-
ко для этого прибора наблюдалось худшее
согласие некоторых экспериментальных и
расчетных характеристик, что, по-видимо-
Рис. 1.4.10. Изменение давления Рп в
зависимости от угла атаки £ (а) и
зависимость амплитуды переменной
составляющей давления Ри от частоты
модуляции внешнего давления f (б)
для разных молекулярных пучков
му, связано с неполной термализацией газа в полости прибора. В отличие от исследо-
вавшихся манометрических преобразователей, масс-спектрометрический преобразо-
ватель (анализатор) имеет входную трубку с существенно большим относительным
диаметром (D = 2,0) и, кроме того, диаметр трубки близок к диаметру рабочей полос-
ти прибора. Поэтому значительная доля частиц пучка может попадать внутрь полос-
ти прибора без столкновений со стенками патрубка, а затем покидать прибор после
малого числа столкновений со стенками камеры. В этих условиях газ в полости при-
бора может быть не полностью термализованным. Для оценки степени термализации
молекулярного пучка в камере анализатора MX 6407П был поставлен эксперимент, в
котором исследовалась зависимость амплитуды спектральных пиков от скорости мо-
лекулярного пучка. С этой целью использовались молекулярные пучки, состоящие из
смеси Не с каким-либо более тяжелым газом в различных процентных соотношени-
134
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
ях, что позволяло изменять массовую скорость потока и и скоростное отношение S в
достаточно широких пределах. Измерялись амплитуды пиков Не и тяжелого газа при
полностью открытом входном отверстии анализатора (Ао) и при установке на входе
патрубка анализатора диафрагмы (AJ) с диаметром, равным диаметру пучка (d = 8 мм).
В обоих случаях из полученных амплитуд вычитались их фоновые значения
(Лоф и А/)9 измеренные при помещенной па пути пучка заслонке.
Затем определялось отношение:
Р _ Л ~ АФ
Изменение этой величины в зависимости от скорости молекулярного пучка для раз-
ных газов при £, = О показано на рис. 1.4.11.
Степень термализации молекулярного пучка в приборе оценивалась на основании
сопоставления полученных экспериментальных зависимостей с расчетными данны-
ми. Поскольку в описываемом эксперименте введение диафрагмы не уменьшало па-
дающий на входное отверстие поток частиц, а лишь изменяло условия прохождения
прямого и обратного потоков через трубку, то расчетные значения величины F опре-
деляются отношением где функции и характеризуют соот-
ветственно открытую трубку анализатора и трубку с диафрагмой на входе. Ход рас-
четной зависимости величины F от скорости пучка для N2 показан на рис. 1.4.11
пунктирной линией 1.
Экспериментальные данные указывают па зависящее от рода газа уменьшение
отношения F с ростом скорости молекулярного пучка вместо некоторого его увели-
чения, предсказываемого теорией. Этот экспериментальный факт может быть объяс-
нен, если предположить, что при открытой трубке для выходящего из прибора газо-
вого потока справедливо условие S > 0, причем направленная скорость обратного
Рис. 1.4.11. Зависимость величины F от
скоростного отношения S и абсолютной
скорости молекулярного пучка и:
1 - расчет для N2; 2-4 -
экспериментальные данные
потока растет с увеличением скорости ре-
гистрируемого молекулярного пучка. Это
влечет за собой уменьшение величины
и, соответственно, величины F с рос-
том скорости молекулярного пучка. На
основании таких представлений по приве-
денным на рис. 1.4.11 экспериментальным
данным может быть оценена величина
скоростного отношения для обратного
газового потока 5обр при открытой вход-
ной трубке анализатора. В области скоро-
стей и = 2300-2 500 м-с'1 оценки дают для
Не 50бр« 1,7, а для N2 и Аг - 5обр « 3-4.
Условия взаимодействия в данном экс-
перименте узкого молекулярного пучка с
полостью измерительного прибора были
смоделированы методом Монте-Карло.
Полученные результаты показывают, что в
диапазоне значений 5=5-10 на одну час-
ГЛАВА 1.4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ КАНАЛОВ...
135
тицу, достигающую дна цилиндрической камеры прибора, приходится в среднем от
0,7 до 0,01 столкновений со стенками соответственно. Среднее число столкновений
для частиц обратного потока при этом составляет 14—15 в случае диффузного отра-
жения, а в случае зеркального - уменьшается от 1,7 до 1,2. Эти данные показывают,
что при зеркально-диффузном отражении число столкновений частиц со стенками
может быть мало, и обратный газовый поток действительно может быть не пол-
ностью термализован.
В связи с важностью вопроса о воздействии атомарного кислорода на материалы
внешней поверхности КА (см. гл. 1.6) приведем некоторые данные о регистрации
атомарного кислорода с помощью масс-спектрометрических преобразователей. На
описанном газодинамическом источнике поток атомарного кислорода был получен
двумя способами: путем диссоциации О2 электронным ударом и путем термической
диссоциации N2O. В первом случае был получен пучок атомов О с концентрацией
1,3-1015 м"3, а во втором - 2,5-1016 м"3.
При регистрации атомарного кислорода с
помощью масс-спектрометра необходимо
вводить ряд поправочных коэффициентов,
характеризующих снижение эффективности
регистрации атомов О относительно молекул
О2. Помимо различия сечений ионизации О и
О2, в масс-спектрометрическом преобразова-
теле учитывается различие коэффициентов
Клаузинга и частичная рекомбинация ато-
марного кислорода на внутренних стенках
преобразователя. Проведенные исследова-
ния показали, что суммарный поправочный
коэффициент, характеризующий снижение
чувствительности масс-спектрометрического
Рис. 1.4.12. Масс-спектр частично
диссоциированного пучка Оз
преобразователя к О по сравнению с О2, составляет 0,477. На рис. 1.4.12 приведена
запись масс-спектра, характеризующая содержание О и О2 в пучке при проведении
описанных экспериментов.
1.4.4. Данные ракетных экспериментов
В выполненных ракетных экспериментах по измерению давления верхней атмо-
сферы [10] были получены также данные о взаимодействии измерительных приборов
с молекулярным потоком, позволяющие проверить правильность результатов теоре-
тических расчетов и лабораторных исследований.
На ракете обычно устанавливалось два манометрических преобразователя, ось
входной трубки одного из которых совпадала с продольной осью ракеты (напорный
манометр), а входная трубка второго была направлена под углом а0 = 75° к оси раке-
ты (статический манометр). На рис. 1.4.13 приведен фрагмент записи телеметриче-
ского сигнала статического манометра, показывающий характер модуляции давления
внутри преобразователя при вращении ракеты.
136
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.4.13. Модуляция давления внутри
манометрического преобразователя
при вращении ракеты
На рис. 1.4.14 показано зарегистрированное
в одном из экспериментов [10] изменение с
высотой давления внутри напорного (Рн) и ста-
тического (^max, ^min - значения давления,
соответствующие максимальному и мини-
мальному значениям на кривой модуляции), а
также рассчитанное разными способами по
манометрическим данным изменение давления
атмосферы Ра. В нижней части рисунка пока-
зано обусловленное прецессией изменение
угла атаки ракеты а, которое было измерено с
помощью магнитометров (сплошная кривая) и рассчитано по показаниям двух мано-
метров (точки).
Хорошее совпадение значений Ра и а, рассчитанных разными способами на
основании показаний манометров и измеренных независимыми методами, сви-
детельствует о корректности физических
расчета функций Ч7^,/), ^) и R(S,D, £) и
достаточной точности выполненных рас-
четов.
Еще одним фактором, который не-
обходимо принимать во внимание при
расчете газового потока, проникающего
в полость из окружающей атмосферы, яв-
ляется попадание в полость частиц
СВА, претерпевших столкновение с час-
тицами набегающего газового потока.
Влияние этого фактора неоднократно оце-
нивалось для различных условий измере-
ний [17, 18].
В [17] показано при ряде упрощающих
предположений, что для сферического
объекта радиуса R в режиме свободномо-
лекулярного течения плотность обратного
потока частиц СВА /обр связана с плотно-
стью потока десорбируемых с поверхно-
сти частиц/дес соотношением:
^обр ~ R
где /0 - длина свободного пробега частиц;
К<& \ - коэффициент, зависящий от пара-
метров S и с помощью которого учиты-
вается уменьшение длины свободного про-
бега в передней полусфере за счет движе-
ния носителя.
предпосылок, положенных в основу
Рис. 1.4.14. Результаты измерения давления
атмосферы с помощью двух манометров
ГЛАВА 1.4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ КАНАЛОВ...
137
Рис. 1.4.15. Изолинии концентрации
десорбированных частиц для ракеты МР-12
Из (1.4.14), используя модельные данные
о распределении концентрации частиц в
верхней атмосфере Земли, можно найти, что
при 7? =100 см на высотах 130-140 км
/обр/Аес= Ю'1, на высотах 180-200 км - око-
ло 10'2, и далее величина этого отношения
убывает с увеличением /о.
Для оценки в конкретных условиях про-
никновения обратного потока частиц СВА
в полость необходимо сопоставлять этот
поток, определяемый на основании данных
о газовыделении материалов, с измеряе-
мым потоком. При проведении подобных
оценок требуется также знать пространст-
венное распределение частиц СВА и рас-
пределение плотности их обратного потока по поверхности для носителей реальной
конфигурации. Рассмотрим некоторые результаты сделанных вычислений для ра-
кеты МР-12.
На рис. 1.4.15 показано распределение концентрации частиц СВА в окрестности
ракеты, а на рис. 1.4.16 - полученные на основании этого распределения данные, ха-
рактеризующие обратный поток частиц СВА: изменение плотности обратного потока
в зависимости от величины установочного угла прибора а0 (рис. 1.4.16а) при разных
значениях угла атаки указанных около кривых, и соотношение долей обратного
потока, приходящих из различным образом удаленных от поверхности ракеты слоев
СВА (рис. 1.4.166). На рис. 1.4.16а и 1.4.166 для сопоставления приведены также
аналогичные данные, полученные для сферы, диаметр которой равен диаметру го-
ловной части ракеты в месте установки измерительных приборов. Видно, что исполь-
зование для упрощенных оценок обратного потока такой сферической модели дает
результаты, заметно отличающиеся в ряде случаев от реальной ситуации.
Рис. 1.4.16. Зависимость обратного потока частиц СВА от ориентации прибора (а)
и вклад различных пространственных областей (сфера - пунктирные,
МР-12 - сплошные линии) в обратный поток (б)
138
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Отметим, что характеристики обратного потока частиц СВА определяются глав-
ным образом процессами столкновений частиц, происходящими в ближней зоне
(z/R< 10) околообъектного пространства, т. е. в данном случае необходим детальный
расчет распределения концентрации частиц СВА в ближней зоне.
В гл. 1.8 будет показано, что влияние СВА на процесс электризации тел в косми-
ческой плазме, напротив, обусловлено преимущественно эффектами, наблюдаемыми
в дальней зоне, где приемлемая точность в описании СВА может быть достигнута на
основании сферической модели.
ЛИТЕРАТУРА
1. Данилин Б.С., Михневич В.В., Репнев А.И., Швидковский Е.Г. Задача измерения давления и плотно-
сти высоких слоев атмосферы с помощью искусственного спутника Земли. УФН, 1957, т. 63, вып. 16,
с. 205-225.
2. Кошмаров Ю.А., Рыжов Ю.А. Прикладная динамика разреженного газа. М.: Машиностроение, 1977,184 с.
3. Саксаганский Г.Л. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. М.: Атомиздат, 1980,216 с.
4. Ивановский А.И. Аэродинамика манометров и масс-спектрометров, устанавливаемых на ракетах и
спутниках. М.: Наука, 1965, с. 56-61.
5. Hughes Р.С. Theory for the free molecular impact probe at an arbitr. angle of attack. UTIAS Rep., 1965, No 103.
6. Новиков Л.С. О методике измерения параметров верхней атмосферы с помощью манометров. Деп.
ВИНИТИ, 1973, № 546-73, 30 с.
7. Гуртовенко Ю.Ф., Новиков Л.С., Похунков А.А., Тулинов Г.Ф. О взаимодействии прибора с потоком
разреженного газа при произвольных углах атаки. В кн.: Некоторые вопросы физики верхней атмо-
сферы. Труды ИПГ, вып. 17. М.: Гирометеоиздат, 1973, с. 14-35.
8. Альперт Я.Л., Гуревич А.В., Питаевский Л.П. Искусственные спутники в разреженной плазме. М.: На-
ука, 1964, 382 с.
9. Иванов Ю.Ф., Новиков Л.С., Похунков А.А., Тесленко В.П., Тулинов Г.Ф., Шидловский А.А. Аппара-
тура для изучения структурных параметров верхней атмосферы. В кн.: Некоторые вопросы физики
верхней атмосферы. Труды ИПГ, вып. 17. М.: Гидрометеонздат, 1973, с. 3-13.
10. Новиков Л.С., Тулинов Г.Ф. Ракетные эксперименты по исследованию верхней атмосферы Централь-
ной Арктики. Геомагнетизм и аэрономия, 1975, т. 15, № 2, с. 291-296.
И. Гуртовенко Ю.Ф., Новиков Л.С. Инерционность манометров в ракетных экспериментах. В кн.: Экспе-
риментальные исследования верхней атмосферы. Труды ИПГ, вып. 24. М.: Гидрометеонздат, 1975,
с. 39^13.
12. Гуртовенко Ю.Ф., Новиков Л.С. Применение метода Монте-Карло к расчету проводимости трубок при
свободномолекулярном течении газа. В кн.: Экспериментальные исследования верхней атмосферы.
Труды ИПГ, вып. 24. М.: Гидрометеонздат, 1975, с. 44-52.
13. Долинов В.К., Новиков Л.С., Бурсак А.В. Статистическое моделирование молекулярного потока в
каналах сложной конфигурации. В кн.: Теория квантовых систем с сильным взаимодействием. Кали-
нин: Изд-во Калининского государственного университета, 1986, с. 45-56.
14. Завилопуло А.Н., Шкоба Б.В., Снегурский А.В. Исследование свойств одно- и двухкомпонентных
сверхзвуковых молекулярных пучков. Журнал технической физики, 1980, т. 50, № 1, с. 133-139.
15. Шкоба Б.В., Занесенный И.П., Завилопуло А.Н. Применение времяпролетной методики для определе-
ния энергетических параметров сопловых молекулярных пучков. Журнал технической физики, 1978,
т. 48, №9, с. 1885-1889.
16. Волков Г.И., Новиков Л.С., Старостина Р.Ф. Экспериментальное исследование быстродействия иони-
зационных манометров. В кн.: Некоторые вопросы физики верхней атмосферы. Труды ИПГ, вып. 17.
М.: Гидрометеоиздат, 1973, с. 56-61.
17. Миртов Б.А. Газовый состав атмосферы Земли и методы его анализа. М.: Изд-во АН СССР, 1961,262 с.
18. Scialdone J.J. Assessment of Shuttle payloads gaseous environment contamination and its control. Proceed.
Symposium on spacecraft materials in space environment. ESA SP-145, Noordwijk, 1979, p. 101-116.
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Хасаншин Р.Х.1 (разд. 1.5.1), Шуйский М.Б.1 (разд. 1.5.2); Ходненко В.П.2 (разд. 1.5.3)
1 ОАО «Композит»
2 НПП Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики
Список сокращений
КА космический аппарат
ЛВ летучие вещества
ЛП летучие продукты
ЛКВ летучее конденсируемое вещество
ПКМ полимерные композиционные материалы
ФКП факторы космического пространства
УФ ультрафиолет
ВВЕДЕНИЕ
При изучении процессов формирования собственной внешней атмосферы кос-
мических аппаратов (КА) и влияния собственной внешней атмосферы на работу
бортовых систем необходимо знать характеристики газовыделения (потерь массы)
материалов, применяемых в конструкции КА как на внешних поверхностях, так и
в негерметичных отсеках. В условиях космического пространства на процессы
газовыделения значительное влияние оказывает воздействие на материалы повы-
шенных температур, ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца, ионизирующего
излучения космического пространства, потоков плазмы с различными характери-
стиками и других факторов космического пространства (ФКП).
140
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Выделяющиеся из материалов летучие вещества (ЛВ) не только участвуют в фор-
мировании собственной внешней атмосферы КА, но и создают на поверхности КА за-
грязнения, что приводит к ухудшению функционирования оптических приборов, тер-
морегулирующих покрытий, солнечных батарей и т. п. Процесс формирования пленки
загрязнения зависит от динамики газовыделения ЛВ из материала, разности температур
между источником ЛВ и загрязняемой поверхностью, плотности потока ЛВ и сорбци-
онных характеристик загрязняемой поверхности, а также от воздействия на пленку
загрязнения ФКП, в частности УФ-излучения Солнца (фотостимулированная адсорб-
ция) и ионизирующего излучения (радиационно-стимулированная адсорбция).
Загрязнение чувствительных поверхностей КА является одним из факторов, огра-
ничивающих работоспособность и срок службы, как отдельной аппаратуры, так и КА
в целом. С дальнейшим увеличением сроков активного существования КА создание
прогностических моделей газовыделения материалов и покрытий, используемых на
поверхности КА, и моделей загрязнения чувствительных поверхностей продуктами
собственной внешней атмосферы становится все более актуальной задачей.
При создании таких моделей, оценке потенциальной опасности загрязнения по-
верхности КА и окончательном выборе конструкционных материалов необходимо
опираться на экспериментальные данные, характеризующие процессы газовыделения
материалов и конденсации ЛВ на поверхности. В этой связи большую роль играют
стандартизованные методы испытаний материалов.
В настоящей главе изложена методика математического моделирования газовы-
деления полимерных композиционных материалов (ПКМ), широко применяемых на
поверхности современных КА, описаны стандартизованные методы отборочных ис-
пытаний неметаллических материалов КА как потенциальных источников газовыде-
ления и загрязнения, приведены некоторые результаты таких испытаний.
1.5.1. Математическое моделирование газовыделения полимерных
композиционных материалов
1.5.1.1. Постановка задачи
В общем случае газовыделение ПКМ в вакууме складывается из следующих ос-
новных процессов:
• десорбции ЛВ, адсорбированных на поверхности материала или образовавших-
ся на нем при воздействии внешних факторов;
• диффузии и десорбции ЛВ, абсорбированных или образованных в нем в ре-
зультате термической деструкции, воздействия электромагнитного или ионизи-
рующего излучения;
• испарения (сублимации) ПКМ в вакууме, вызванного воздействием внешних
факторов.
Поскольку энергия связи молекул полимерных материалов может быть меньше
энергии квантов коротковолнового солнечного излучения, то их воздействие, как и
воздействие ионизирующих излучений, способно усилить эффект сублимации мате-
риалов в вакууме.
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
141
При выборе процессов, определяющих исследуемые явления, необходимо иден-
тифицировать компоненты ЛВ и оценить уровни воздействия ФКП на орбите, где
предполагается эксплуатация рассматриваемого материала. Для понимания макро-
скопических особенностей воздействия ФКП на газовыделение ПКМ в вакууме не-
обходимо отдельно исследовать влияние температуры материала, воздействий УФ и
ионизирующих излучений.
Ошибка прогноза зависит, прежде всего, от вида модели, описывающей рассмат-
риваемые явления, и во вторую очередь - от ошибок измерений. Поэтому математи-
ческие модели газовыделения, которые явились бы основой прогностических инже-
нерных методик, должны учитывать и те процессы, которые не вносят значительного
вклада в результаты лабораторных исследований из-за ограниченности времени экс-
перимента, но при длительной эксплуатации материала в космосе с течением време-
ни будут определять процесс газовыделения.
Моделирование сложного физико-химического процесса газовыделения возмож-
но при некоторых допущениях. Так, некоторые исследователи Европейского косми-
ческого агентства [1, 2], изучающие эту проблему, рассматривают газовыделение как
реакцию первого порядка, т. е. считается, что плотность потока каждой компоненты,
выделяющейся через границу «материал-вакуум», прямо пропорциональна ее коли-
честву, оставшемуся в материале. Но это предположение, существенно упрощающее
математическое описание, не всегда верно, поскольку плотность потока отдельной
компоненты газовыделения пропорциональна ее концентрации в приповерхностном
слое, которая не обязательно пропорциональна ее количеству в материале в данный
момент времени. Это утверждение стало одним из основных положений рассматри-
ваемой ниже математической модели.
1.5.1.2. Математическая модель газовыделения
Для математического описания влияния отдельных ФКП на физико-химические
процессы, происходящие как внутри материала, так и на его поверхности, использу-
ются основные предпосылки моделей [3-5], разработанных для интерпретации ре-
зультатов лабораторных и натурных исследований. Предлагаемая модель представ-
ляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных, описы-
вающую изменение концентраций продуктов газовыделения в ПКМ и кинетику
газовыделения с поверхности на границе «материал-вакуум» под воздействием
внешних факторов.
Изменение концентрации Сп(х, /) и-ой компоненты газовыделения
(и = 1,2,3, в материале внешнего покрытия КА обусловлено следующими
процессами:
• десорбцией с поверхности на границе «материал-вакуум»;
• изменением Сп(х, t) за счет термической, фото и радиационно-стимулированной
деструкции в материале;
• уменьшением С„(х, /) за счет химических реакций;
• испарением (сублимацией) материала через поверхность границы «материал-
вакуум»;
• диффузией, вызванной перечисленными выше процессами.
142
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Эта модель построена на следующих предположениях:
• характерная толщина исследуемых материалов намного меньше остальных ли-
нейных размеров, следовательно, можно пренебречь краевыми эффектами и
рассматривать одномерную задачу;
• эффективные коэффициенты диффузии, десорбции и термической деструкции
не зависят от времени, а определяются только температурой образца данного
материала;
• некоторые компоненты газовыделения могут быть образованы в результате де-
струкции других компонент под воздействием внешних факторов, остальные
формы их взаимного влияния не учитываются;
• компоненты газовыделения в материале участвуют в реакциях только первого
порядка;
• материал испаряется со всей поверхности с одинаковой скоростью, которая за-
висит только от интенсивности воздействующих факторов;
• газовыделение происходит только через границу «материал-вакуум».
При рассмотрении перечисленных процессов в объеме и на поверхности компо-
зиционных материалов со сложной энергетической структурой пока реально возмо-
жен только макроскопический подход. Поэтому далее используются эффективные
коэффициенты диффузии, десорбции и термической деструкции - параметры, с по-
мощью которых описываются процессы, наблюдаемые при лабораторных и натур-
ных экспериментах.
Обозначим через С,(х,/) (Z = 1, 2, 3, ..., 7) концентрации компонент газовыделения,
которые не могут быть образованы в материале при деструкции других компонент
под воздействием внешних факторов, тогда изменение их концентрации в образце
материала в рамках сделанных предположений можно описать дифференциальными
уравнениями:
ад(х,/) = Сдх>/)+5 (х/)> (j.5.1)
dt дх
при х е (0, h - о/), t > 0, о/ < Л, удовлетворяющими начальным и граничным усло-
виям:
Cz(x,/)|/=0 =7?z, прих е [О, Л],
(1.5.2)
D дС\х,Г)
ас,.(х,г)
дх
- О при /> 0, (1.5.3)
где - весовой коэффициент деструкции /-ой компоненты по j-му каналу, [с-1];
X, - скорость химических реакций с участием /-ой компоненты, [с-1]; Д - эффектив-
ный коэффициент диффузии /-ой компоненты, [мкм2-с-1]; R, - концентрация /-ой
компоненты в материале в начальный момент времени; к, - эффективный коэффици-
ент десорбции /-ой компоненты, [мкм-с-1]; Sj(x, t) - функция источника /-ой компо-
ненты, [с-1]; h - толщина образца материала, [мкм]; af - параметр, учитывающий
влияние воздействующих факторов на кинетику десорбции JIB /-го типа, [мкм-с-1];
о - скорость испарения данного материала, [мкм-с-1].
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
143
Зависимости коэффициентов диффузии и десорбции от температуры описывают-
ся соотношением Аррениуса [6]:
( £ \ ( е А
Д = А,- еД~4/ к>= к<» (1’5,4)
где Ет и Ej- энергии активации диффузии и десорбции соответственно; D0/-, kQi - кон-
станты для данного материала; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолют-
ная температура.
Функции С/(х,/), полученные при решении уравнений (1.5.1)-(1.5.3) с весовыми
множителями могут входить в уравнения, описывающие изменения концентра-
ции j-ой компоненты газовыделения (J = 1,2,3, образование которой возможно
при деструкции соответствующей z-ой компоненты:
5С(х,/) д2С,.(х,/) '
-4^ = 4—4V2-ECT>-/C>^0-X>C/x,/) + ^o,^.C/(x,/) + Sy.(x,/) (1.5.1')
с/ ОХ /=1 /=1
при Vx е (0, h - о/), t > 0 с соответствующими начальными и граничными усло-
виями:
Су (х, /)| = Rj > 0, х е [0, h], о/ < h,
(1.5.2')
дС^х,1)
= 0, при t > О,
(1.5.3')
где о^/- весовой коэффициент деструкции j-ой компоненты по /-му каналу.
Таким образом, перебирая все возможные компоненты газовыделения, можно по-
строить систему уравнений, описывающих изменения концентраций всех компонент
газовыделения Cn(x,f) в образце материала. Решение такой системы уравнений для
большинства практических задач не представляет особого труда, но из-за их гро-
моздкости здесь приведены только некоторые, имеющие практический интерес.
Для определения степени влияния отдельных процессов на газовыделение ниже
приведены результаты численных расчетов изменения концентрации ЛВ в ПКМ. Для
простоты восприятия результатов здесь рассматривается только отдельная компонен-
та газовыделения при фиксированных значениях параметров 7?, = 1, 50 = 1 мкм2 и
h = 100 мкм (характерная толщина для терморегулирующих покрытий), а остальные
параметры модели варьируются.
Влияние отдельных процессов на газовыделение при тепловакуумном воздейст-
вии иллюстрируется рис. 1.5.1, на котором приведены графики пространственно-
временного распределения концентрации ЛВ в материале для различных значений
параметров модели.
При обработке результатов испытаний ПКМ на газовыделение в условиях ва-
куумно-теплового воздействия изменением толщины образца материала можно
пренебречь, и функцию источника в уравнении (1.5.1) можно принять равной нулю,
потому что температура испытаний материала должна быть ниже температуры его
термической деструкции. При одинаковых значениях параметров Д, к, и р, графики
а и б на рис. 1.5.1 представляют собой закономерности изменения концентрации ЛВ
144
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.5.1. Пространственно-временное распределение концентрации ЛВ в материале при
различных значениях параметров математической модели: а - £), = 0,001, к, = 0,01, р, = 10~7,
и = 0; б - Di = 0,001, ki = 0,01, р, = 10'7, и = 0,015; в - D, = 0,005, = 0,01, р, = 10'7, и = 0;
г - Д = 0,001Д/ = 0,01, р, = 10'6, и = 0; д - Nu = kh /D4 р, = 10'7, и = 0;
е - скачок температуры при t = 400 ч
в материале при о = 0 и о = 0,015 мкм-ч"1 соответственно. Функции на графиках виг
на этом рисунке отличаются от графика а значением эффективного коэффициента
диффузии и параметра р„ увеличенных в пять и десять раз соответственно при сов-
падении остальных параметров модели. Увеличение первого из них наиболее суще-
ственно сказывается на поведении функции С,(х, /), хотя и во втором случае проис-
ходят значительные изменения в распределении концентрация ЛВ по сравнению с
графиком а. График д демонстрирует зависимость изменения концентрации ЛВ в
материале от безразмерного параметра Nil = kh/D (по аналогии с числом Нуссельта)
за 1 000 ч в случае неподвижной границы. Из графика д видно, что при значениях
Az/<0,01 происходит десорбционное, а при Nu > 50 - диффузионное сдерживание
процесса газовыделения. И, наконец, на графике е показано изменение распределе-
ния ЛВ при скачкообразном повышении температуры материала в момент времени
t = 400 ч.
На рис. 1.5.2 представлены графики, демонстрирующие влияние на распределение
концентрации продуктов газовыделения облучения образца материала УФ-излучени-
ем и потоком электронов.
Как правило, приповерхностная поглощенная доза в материалах внешних покры-
тий КА определяется в основном низкоэнергетической частью спектра ионизирую-
щего излучения космического пространства. Профиль распределения радиационной
нагрузки, которой подвергаются материалы внешних покрытий КА при эксплуата-
ции, можно смоделировать в лабораторных условиях с помощью потоков электронов
и протонов различных энергий.
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
145
Рис. 1.5.2. Пространственно-временное распределение продуктов газовыделения при
различных видах воздействия на материал - источник Л В:
а - вакуумно-теплое воздействие; б, в - воздействие УФ-нзлучения
с момента t = 400 ч в случаях приповерхностного и объемного поглощения;
г, д, е - воздействие электронного излучения
Результаты анализа натурных экспериментов и расчетов поглощенной энергии
электронного излучения в материалах покрытий КА в условиях эксплуатации пока-
зали, что для численного анализа процесса газовыделения в качестве функции источ-
ника ЛВ можно использовать функцию следующего вида:
5,rad(x,/) = 40 ехр(а0(х + и/-А)) + Д1 exp(aj(x +и/-/?)), (1.5.5)
где Лю, Ан - параметры, зависящие от состава материала и спектра воздействующе-
го излучения; осо, ai - эффективные коэффициенты линейного ослабления дозовых
нагрузок на материалы покрытий КА от низкоэнергетической и высокоэнергетиче-
ской частей спектра ионизирующего излучения космического пространства соот-
ветственно.
Параметры A®, Atl равны отношению мощности поглощенной дозы в приповерх-
ностном слое материала к среднему значению энергии, необходимой для образования
одной молекулы ЛВ z-го типа в материале при воздействии на него низкоэнергетиче-
ской и высокоэнергетической частей спектра ионизирующего излучения космическо-
го пространства.
При численном анализе влияния, оказываемого воздействием на исследуемый ма-
териал ультрафиолетового излучения, в качестве функции источника в уравнении
(1.5.1) можно использовать функцию, аналогичную (1.5.5), или более простую функ-
цию вида:
S, (х, /) = 40 exp (apho,° (х+и/ - /?)),
(1.5.6)
146
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙСРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
где Лю - параметр, зависящий от состава исследуемого материала и источника
УФ-излучения; aphoto - эффективный коэффициент линейного ослабления поглощен-
ной энергии УФ-излучения.
Динамика изменения концентраций ЛВ в образцах ПКМ при «включении» в
момент времени t = 400 ч источника УФ-излучения для случаев приповерхностного и
объемного поглощения излучения демонстрируется на графиках бив рис. 1.5.2. Фо-
тохимическое разложение органической составляющей приводит к увеличению
концентрации ЛВ в приповерхностных слоях в первом случае, а во втором - по всему
объему материала. Последний случай может быть реализован только при воздейст-
вии мощного источника излучения на «полупрозрачный» материал, когда воздейст-
вие излучения сдерживает процесс десорбции ЛВ.
Воздействие электронного излучения на ПКМ может существенно изменить
распределение концентрации и состав ЛВ в материале по сравнению с вакуумно-
тепловым воздействием. Возможные случаи таких изменений при различных функ-
циях источника ЛВ, но одинаковых значениях параметров D, к, р и температуры
материала приведены на графиках гид рис. 1.5.2. В первом случае концентрация
ЛВ в материале со временем становится заметно больше, а во втором - меньше, по
сравнению с необлученным образцом материала (график а) при прочих равных ус-
ловиях. Это обусловлено радиационно-стимулированным образованием ЛВ в мате-
риале (г) и деструкцией материала, приводящей к уменьшению концентрации ЛВ
данного типа (д). График е представляет собой распределение концентрации нового
вида ЛВ - продукта радиолиза, которого в необлученном материале не было.
Подробное исследование влияния значений параметров математической модели
на функцию было необходимо для получения наибольшей наглядности и
ясности в понимании процесса газовыделения.
После получения достаточной информации о зависимости пространственно-вре-
менного распределения ЛВ в материале от отдельных процессов далее рассматри-
вается их влияние на кинетику газовыделения через границу «материал-вакуум» и
осаждения образовавшихся ЛВ.
Решение уравнений (1.5.1)-(1.5.3) позволяет определить зависимости скорости га-
зовыделения и потока z-ой компоненты с единицы поверхности материала от времени
t с помощью следующих выражений:
= (и + к, + a?) q (h - и/, /), (1.5.7)
dt v 7
Ft (t) = J(u+k, + af) Cf (h - ит, t) dx, (1.5.8)
0
где Ci(h - и/, /) - функция концентрации /-ой компоненты в приповерхностном
слое.
При проведении натурных или лабораторных исследований кинетики газовыде-
ления материалов обычно имеют дело с суммарным потоком:
ЛоВ1(') = £ F„(r). (1.5.9)
Я = 1
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
147
1.5.1.3. Модель конденсации продуктов газовыделения
При исследовании кинетики газовыделения материалов в вакууме с помощью
кварцевых микровесов производится измерение массы конденсированных ЛВ в зави-
симости от времени.
Если начальный потенциал газовыделения ЛВ /-го типа для образца материала с
площадью поверхности So равен:
Msi(0) = hS^, (1.5.10)
то массу ЛВ /-го типа в нем в любой момент времени t можно выразить через функ-
цию концентрации С,(х, /):
Л-и/
Msi(f) = so J CSx,t)dx, (1.5.11)
о
а функция потери массы образца за счет выделения ЛВ /-го типа имеет вид:
8Msi(t) = hS^ - А/„.(/)ехр(Р,7), (1.5.12)
J
где Р; = + Х/~ обобщенная скорость реакций первого порядка с участием ЛВ
>1
/-го типа в материале.
Скорости изменения массы ЛВ /-го типа в образце материала и части этой массы
А/с/(г), осевшей на элементе поверхности конденсации к моменту времени /, связаны
между собой следующей системой уравнений:
dM^ = -So (и + к: + af) С((h - и/,/), (1.5.13)
Л^О) = (1.5 Л4)
at at
где kci - эффективный коэффициент ремиссии с поверхности конденсации ЛВ /-го
типа; Хс/ ~ скорость химических реакций с участием /-ой компоненты на поверхности
конденсации; acs - геометрический коэффициент, зависящий от взаимного располо-
жения источника ЛВ и элемента поверхности конденсации.
Первый член в правой части уравнения (1.5.14) - это скорость поступления массы
ЛВ /-го типа на элемент поверхности конденсации, а второй и третий члены - скоро-
сти ее уменьшения за счет ремиссии и химических реакций на поверхности. Очевид-
но, что со временем не только толщина осажденного слоя, но и его состав могут ме-
няться. Следовательно, эффективный коэффициент ремиссии kci в таких случаях
должен зависеть от времени.
Если при лабораторных исследованиях конденсации продуктов газовыделения со-
став ЛВ за время наблюдений меняется незначительно, то после осаждения несколь-
ких молекулярных слоев kci можно считать константой и, если известны величины
А/с,(0) и Msi(0)9 из уравнений (1.5.13)-(1.5.14) можно получить массу ЛВ /-го типа,
осевшую на элементе поверхности к любому моменту времени.
Далее приводятся некоторые решения системы уравнений (1.5.13)-(1.5.14) при
различных видах воздействия на исследуемый материал - источник ЛВ.
148
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
При анализе результатов лабораторных исследований вакуумно-теплового воз-
действия на газовыделение ПКМ изменением толщины образца материала можно
пренебречь и функцию источника в уравнении (1.5.1) принять равной нулю, потому
что, как уже указывалось, температура, при которой производятся испытания мате-
риала, не должна превышать температуру термической деструкции. Тогда в подоб-
ных случаях, часто реализующихся на практике, аналитическое выражение Mci(f)
(при Л/с,(0) = 0, Sj(x, t) = 0) имеет следующий вид:
(,.5.15)
где у = 2acsRjSQ; - решение трансцендентного уравнения:
к J
= (1.5.16)
ЧМ ;=|
Константы, фигурирующие в (1.5.15), и определяют, в основном, скорость газо-
выделения материала и скорости осаждения ЛВ и ремиссии их с поверхности кон-
денсации.
Общая масса продуктов газовыделения, осажденных на поверхности конденсации
(именно на ее изменение реагирует чувствительный элемент кварцевых микровесов),
определяется суммированием массы отдельных составляющих:
Ч to.al (0 = f (Ч/ (0 + А,- (', X,- ))> (1.5.17)
/7 = 1
где Д/(/,Х/) “ часть массы ЛВ z-ro типа, вступившая в химические реакции на поверх-
ности конденсации к моменту времени /.
В реальных условиях эксплуатации температура материалов - источников ЛВ и
поверхностей конденсации может зависеть от времени. Следовательно, коэффициен-
ты диффузии, десорбции и ремиссии являются функциями времени, что осложняет
решение рассматриваемой задачи. Поэтому для численного исследования влияния
переменной температуры на кинетику газовыделения и конденсации ЛВ время «на-
блюдения» разбивается на конечное число интервалов. Далее предполагается, что
внутри каждого интервала температура образца постоянна, а в конце претерпевает
скачок на заданную величину. Используя решение уравнения (1.5.1)—(1.5.3) в такой
постановке, можно из системы (1.5.11)-(1.5.12) получить следующие выражения для
вычисления Mci(t) при изменении температуры материала - источника ЛВ в момент
времени /0:
*=! \Pik Нс//''/£
Ч,(' > /о) = Y*,° t eXP(~Mcfj!ХР(~п?° ~Ис,Т) + (1.5.18)
*=! Нс/ )®ik
+ ук,ув ехР(-МеЛ)-ехр(-/>,.„т)
— Нс/
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
149
у Ао [ sin(Xt-X„)/i + sin(XA +Х„)Л
h Ч К~К,
kf+tfpf
, , ехр(-Ь°к10),
k°Df+h(kf +^D° )
к°
j-----“—L
D? к?
(^+^ZV)cosM
" k^ + h^Df + kf)
0 _ sin Xkh
где верхний индекс «О» соответствует значениям параметров до момента времени /0;
Нс/= kCi + /с,-; т = t - /0; - решения уравнения:
18^ = Х + в?,=| + Л
АД у=|
Еще одна задача, которая может возникнуть при рассмотрении реальных условий
эксплуатации КА, связана с ситуацией, когда при постоянстве воздействующих ФКП
изменяются коэффициенты ремиссии ЛВ с поверхности конденсации и скорости хи-
мических реакций на ней. Скорость переиспарения с поверхности конденсации
должна зависеть от ее типа, состояния и температуры, состава падающего молеку-
лярного потока и, возможно, других факторов, включая интенсивность воздейст-
вующего УФ-излучения, которое может изменить химический состав осажденных
ЛВ и характер их переиспарения.
Воспользовавшись приведенной выше схемой дробления времени наблюдения на
интервалы с постоянными значениями параметров модели, можно решить систему
уравнений (1.5.13)-(1.5.14) относительно при изменении коэффициента ремис-
сии ЛВ и скорости химических реакций в момент времени /0. Решение при t < t0 сов-
падает с функцией Mci(t < to) из (1.5.18), а при t > tQ имеет следующий вид:
ехр(-Мо)-ехр(-фо)
Мс,(' > 'о) = Ук° ехр(-ц*,т)£---~-0----
\ *=1
к=\
(1.5.19)
где ц*,. = £* +/*,•; коэффициент ремиссии и скорость химических реакций с
участием ЛВ f-го типа на поверхности конденсации при t > tQ.
Рассуждая таким образом, можно получить аналитическое выражение функции
Mci(t) применительно к случаю, когда вместе с температурой материала - источника
ЛВ меняется и температура поверхности конденсации, что приводит к изменению
эффективного коэффициента ремиссии и скорости химических реакций с участием
этой составляющей ЛВ на ней. Такие задачи решаются по схеме, подобной рассмот-
ренной выше.
Радиационное облучение органических полимеров сопровождается образованием
ЛВ. Продукты радиолиза могут различаться по массе, стабильности и реакционной
способности. В зависимости от этих параметров они в виде газа или пара будут вы-
деляться из полимеров, претерпевать дальнейшие превращения или реагировать с
другими молекулами. Процесс образования и выделения подобного рода молекул
при облучении полимеров получил название радиационного газовыделения ЛВ. По
мере увеличения чувствительности методов обнаружения летучих продуктов к тако-
150
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
вым стали относить достаточно тяжелые молекулы, например, ундекан, который об-
наружен при радиолизе полиэтилена [7].
В работах по радиационному газовыделению [7-9] содержатся сведения о кине-
тических закономерностях, качественном и количественном составе выделяющихся
продуктов, связи их образования со строением полимерных молекул и корреляции
между выходом летучих продуктов и другими физико-химическими изменениями в
облученном полимере.
Сопоставление выделяющихся летучих продуктов с химическими изменениями
в ПКМ может дать ценную информацию о механизме радиационно-химических
реакций. Более того, образующиеся низкомолекулярные продукты при своем дви-
жении через ПКМ могут ионизироваться или возбуждаться и реагировать с макро-
молекулами.
Характерными реакциями с участием радикалов, имеющими значение для газо-
образования, являются реакции замещения, рекомбинации, диссоциации и присое-
динения. Меньшую роль играют реакции диспропорционирования.
Проводимые исследования летучих продуктов радиолиза полимерных материалов
пока не привели до сих пор к созданию методов, способствующих глубокому пони-
манию механизмов радиационно-химических превращений, и моделей, описываю-
щих процесс газовыделения этими материалами при воздействии ионизирующих
излучений. В основном это объясняется сложностью процессов, поскольку Л В явля-
ются конечными продуктами сложной цепи превращений.
Количество выделившихся ЛВ зависит от газопроницаемости ПКМ. Коэффици-
енты диффузии и проницаемости связаны как с размерами диффундирующих моле-
кул, так и со структурой ПКМ и его температурой при облучении. Выход тяжелых
продуктов затруднен в силу малости коэффициента диффузии. В полимерных ма-
териалах может задерживаться даже водород. Так, например, сразу же после облу-
чения полимстилметакрилата дозой около 106 Гр при температуре около 20°С прак-
тически все образовавшиеся Л В остаются в полимере [8]. Нагрев полимера после
облучения до температуры выше 125°С приводит к быстрому выделению ЛВ. При
этом показано, что Л В образуются в результате облучения, а не при нагреве образ-
ца, поскольку при растворении облученного образца наблюдалось значительное
выделение газа [9].
Воздействие УФ и ионизирующего излучения добавляет в поток газовыделения
ПКМ продукты радиационно-химического разложения. Осаждение ЛВ, образовав-
шихся в материале, обусловлено конденсацией высокомолекулярных и радиацион-
ной полимеризацией низкомолекулярных составляющих на поверхностях КА. На
радиационно-стимулированную адсорбцию, десорбцию и диффузию отдельных со-
ставляющих газовыделения (основные механизмы процессов газовыделения и кон-
денсации, происходящих в приповерхностном слое материала источника ЛВ и на
поверхности конденсации) влияют следующие факторы:
• фотолиз и радиолиз органических составляющих материалов и изменения ко-
эффициентов диффузии, десорбции, адсорбции ЛВ и скорости химических ре-
акций с их участием;
• радиационные дефекты различной природы, образующиеся на поверхности
конденсации ЛВ при воздействии ионизирующего излучения;
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
151
• структурные изменения приповерхностных слоев как материалов - источников
ЛВ (например, разрыхление), так и поверхностей конденсации;
• появление электрических полей, обусловленных накоплением объемного заря-
да в материалах.
Характерные изменения кинетики газовыделения и осаждения образовавшихся
летучих продуктов при различных видах воздействия на материал - источник ЛВ и
поверхность конденсации приведены на рис. 1.5.3. На графиках этого рисунка пока-
заны отклики функций 8М/(0, МХО и dFi!dt на скачкообразное изменение темпера-
Рис. 1.5.3. Кинетика газовыделения и осаждения ЛВ при различных видах воздействия на
материал - источник ЛВ и поверхность конденсации: а - вакуумно-тепловое воздействие;
б - скачкообразное повышение температуры материала - источника ЛВ;
в, г - «включение» и «выключение» воздействующего на материал - источник ЛВ
ионизирующего излучения при /0 = 40 ч; д, е - повышение и понижение
температуры поверхности конденсации при /0 = 400 ч
152
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
туры материала (б) и поверхности конденсации при повышении (д) и понижении (е)
температуры. Увеличение температуры материала в момент времени /0 приводит к
более быстрому уменьшению концентрации ЛВ в материале (б). Этому способствует
увеличение скоростей химических реакций, а также активизация десорбции и диф-
фузии ЛВ, увеличивающая скорость газовыделения, что приводит в конечном итоге к
значительному росту потери массы ЗМ5/(/) (б) по сравнению с изотермическим слу-
чаем (а).
Изменение температуры поверхности конденсации приводит к увеличению (д)
или уменьшению (е) параметра и, соответственно, к уменьшению и увеличению
при одинаковых плотностях потоков ЛВ, падающих на поверхность конден-
сации. Аналогичные изменения наблюдаются во время экспериментальных иссле-
дований конденсации ЛВ при быстром понижении или повышении температуры
поверхности конденсации, а также при выключении и включении имитатора элект-
ромагнитного излучения Солнца, воздействующего на поверхность конденсации и
источник ЛВ. На графиках виг рис. 1.5.3 показаны закономерности кинетики га-
зовыделения и осаждения образовавшихся ЛВ при включении и выключении ис-
точника ионизирующего излучения, воздействующего на материал.
1.5.1.4. Некоторые результаты экспериментальных исследований
Результаты лабораторных исследований, характеризующие кинетику газовы-
деления материалов и конденсации ЛВ в различных условиях, приведены на
рис. 1.5.4.
На графике а представлена экспериментальная кривая газовыделения образца по-
крытия ЭКОМ-1 при Т = 70°С, которая по форме является типичной кривой кинетики
изотермического газовыделения. В течение первых 10 минут образец нагревали от
20°С до 70°С, и в этот промежуток времени устанавливалось динамическое равнове-
сие между поверхностями исследуемого материала и чувствительного элемента
кварцевых микровесов. После этого происходит быстрое нарастание массы ЛВ,
осевшего на чувствительной поверхности микровесов, что обусловлено максималь-
ной скоростью газовыделения в начальный момент времени. Тангенс угла между ка-
сательной к графику начальной части кривой газовыделения (фрагмент графика а) и
осью абсцисс часто используют для оценок скорости газовыделения и коэффициента
десорбции. Максимальная величина скорости газовыделения в первые моменты вре-
мени обеспечивается процессами, происходящими в приповерхностном слое мате-
риала. В дальнейшем, если нет источников, генерирующих ЛВ, подключается диф-
фузионная подпитка из глубины материала. Скорость газовыделения является функ-
цией времени и зависит от нескольких параметров, характеризующих как сам
материал, так и воздействие на него.
Образец материала, кинетика газовыделения которого исследовалась при темпе-
ратуре 100°С (кривая 2 на графике б) после нанесения на подложку, был выдержан в
вакууме при комнатной температуре на 14 суток дольше, чем образец, испытанный
при 70°С (кривая 1). Сравнение этих графиков подтверждает зависимость скорости
газовыделения от нескольких параметров, в том числе и от концентрации ЛВ в мате-
риале к моменту начала испытаний. Действительно, через 40 минут масса ЛВ, выде-
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
153
О 4 8 12 16 /,ч 0 4 8 12 16 20 /, ч
Рис. 1.5.4. Экспериментальные кривые кинетики газовыделения и конденсации при
различных режимах: а - при постоянной температуре Т - 70°С; б - при Т- 70°С (1) и
Ю0°С для образца, выдержанного предварительно в вакууме при Т = 20°С (2);
в ~ при пошаговом (1) и периодическом (2) изменении температуры образца, а также
при постоянной температуре Т= 80°С (3); г - при воздействии потока
электронов Ф: 1 - 0, 2 - 5-1015, 3 - 5-1016; д-з - при УФ-излучении
154
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
ляющегося из более нагретого образца, становится меньше, хотя в первые минуты
после установления температур наблюдается обратная картина. В начальный проме-
жуток времени газовыделение образца, нагретого до 100°С, за счет большего коэф-
фициента десорбции превышает газовыделение менее нагретого (фрагмент графи-
ка б), но со временем определяющую роль начинает играть значение концентрации
Л В в материале к началу испытаний (т. е. параметр модели R).
На графике в представлены изменения температуры образца материала и кине-
тика конденсации образовавшихся ЛВ на чувствительной поверхности микровесов.
Изменение массы ЛВ, осевших на поверхность конденсации при нагреве образа
материала ЭКОМ-1 сначала от 20° до 100°С, а после 10 ч - от 100° до 125°С, можно
проследить на кривой 1. При повышении температуры образца величина dMci(t)l dt
дважды меняет знак (с положительного на отрицательный, и затем наоборот). Это
происходит из-за увеличения в первый момент времени плотности потока молекул,
подлетающих к поверхности конденсации, и установления в последующие момен-
ты времени термодинамического равновесия между поверхностью конденсации и
источником ЛВ. Из графика отчетливо видно, что при изменении температуры об-
разца от 100° до 125°С dMci(j)ldt меняет не только знак, но и свою абсолютную ве-
личину, и даже после стабилизации процессов, происходящих при изменении тем-
пературы образца, при t = 12 ч угол наклона касательной к представленному гра-
фику с осью абсцисс (т. е. скорость газовыделения) существенно больше, чем до
повышения температуры.
На графике в также представлена кривая, иллюстрирующая кинетику конденса-
ции ЛВ при периодическом изменении температуры образца материала (в диапазо-
не от 60° до 125°С). При нагреве образца материала ЭКОМ-1 (кривая 2) в течение
первых 20 минут до температуры 125°С и установлении теплового баланса между
образцом и чувствительным элементом микровесов существенной конденсации ЛВ
не происходит. Далее график кинетики осаждения ведет себя как обычная кривая
кинетики газовыделения. В момент времени t\ = 2 ч 20 мин подогрев образца был
отключен, с момента времени /2 = 3 ч 10 мин температура образца была установле-
на равной 60°С и поддерживалась до /3 = 4 ч 10 мин, после чего в течение 10 мин
образец был нагрет до температуры 125°С. Уменьшение температуры образца с
момента времени t\ должно было привести к уменьшению скорости газовыделения
и, соответственно, уменьшить плотность потока ЛВ, падающего на чувствительный
элемент микровесов. Действительно, прирост массы в интервале времени от /2 до 6
замедляется. Далее с момента времени /3 при увеличении температуры образца
происходит сброс массы ЛВ с поверхности конденсации. При следующих циклах
изменения температуры образца характер динамики конденсации ЛВ повторяется.
На этом же графике в приведена кривая кинетики конденсации летучих продуктов
при изотермическом газовыделении Т= 80°С (кривая 3). Из сравнения этих кривых
можно видеть, что, начиная примерно с 10 часов, масса ЛВ, осевших на поверхно-
сти конденсации от источника с постоянной температурой, начинает превосходить
массу ЛВ, осевших на ней от источника с переменной температурой, хотя очевид-
но, что масса ЛВ, выделенная из образца материала во втором случае, существенно
больше (что и показывают контрольные взвешивания образцов до и после экспери-
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
155
ментов). Этот экспериментальный результат необходимо учитывать не только при
испытаниях материалов на газовыделение и конденсацию ЛВ, но и при моделиро-
вании натурных условий эксплуатации материалов, а также при создании прогно-
стических моделей.
Результаты экспериментальных исследований влияния УФ-излучения на газовы-
деление ПКМ приведены на графиках д-з рис. 1.5.4. Анализ полученных данных по-
казал, что скорость газовыделения при воздействии УФ-излучсния на ПКМ зависит
как от его температуры, так и от отношения объемов полимерного связующего и на-
полнителя (в данном случае ZnO) в нем. Кривые кинетики газовыделения е и ж полу-
чены при температуре 70°С и воздействии УФ-излучения (в интервале времени от 8
до 20 ч) на образцы материалов, в которых объемы связующего и наполнителя отно-
сятся как 1:5,5 и 1:1.
На графике д приведены экспериментальные кривые динамики потери массы
образцов ЭКОМ-1 за счет газовыделения. С 2 до 8 часов они находились в вакуум-
ной камере при температуре 70°С, которая сохранялась до конца эксперимента.
Далее один из образцов подвергся воздействию УФ-излучения, что привело к за-
метному увеличению потери его массы по сравнению с образцом, режим испыта-
ния которого не менялся. Кинетика потери массы образца ЭКОМ-1 при температу-
ре 100°С, на который с 8 до 20 часов воздействовало УФ-излучение, представлена
на графике з.
Анализ многочисленных экспериментальных результатов по исследованию
влияния УФ-излучения на процесс газовыделения показал, что скорость газовыде-
ления за счет такого воздействия растет при увеличении температуры материала в
интервале от 20 до 100°С. Начиная со 120-125°С, увеличение, обусловленное воз-
действием излучения, снижается, хотя общая скорость газовыделения продолжает
расти. Это связано с возрастающей ролью термической деструкции материала -
источника ЛВ, конкурирующей с фотодеструкцией.
Экспериментальные кривые кинетики газовыделения (функции потери массы
8ЛЛ/(/)) образцов материала ЭКОМ-1, облученных различными потоками электрон-
ного излучения, представлены на графике г рис. 1.5.4. Для оценки роли электрон-
ного излучения, воздействующего на материал, здесь же приведена эксперимен-
тальная кривая кинетики газовыделения при тепловакуумном воздействии (Ф = 0).
Из сравнения этих графиков видно, что нет линейной зависимости между количе-
ством выделенного ЛВ и флюенсом электронного излучения, воздействию которо-
го подвергались образцы материалов - источников ЛВ.
В результате анализа экспериментальных данных, полученных при иссле-
довании влияния облучения материалов электронами различных энергий, было
обнаружено, что при плотности потока электронов больше 1012 см”2-с-1 наблюда-
ется зависимость, противоположная представленной на графике г, а именно - с
увеличением флюенса электронного излучения, воздействовавшего на образцы
материалов, потеря их массы после облучения за счет газовыделения уменьша-
ется. Это обстоятельство необходимо учитывать при подборе режимов испыта-
ний материалов на газовыделение при воздействии на них ионизирующих излу-
чений.
156 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.5.1.5. Расчетная оценка потери массы материала ЭКОМ-1
Для расчетной оценки потери массы образца материала ЭКОМ-1 были использо-
ваны как данные собственных исследований кинетики газовыделения, так и резуль-
таты работ других авторов [10-20], полученные при исследованиях полиметилметак-
рилата. Отдельные компоненты продуктов газовыделения при тепловакуумном воз-
действии на композиционные материалы на основе акриловых сополимеров
достаточно подробно исследованы.
Результаты оценок потери массы материала ЭКОМ-1 при температуре 70°С при-
ведены на рис. 1.5.5. Для этих оценок была использована модель, в которой не учи-
тывалось изменение толщины образца за время численного эксперимента, и были
выбраны максимальные (кривая 1) и минимальные (2) значения эффективных коэф-
фициентов диффузии для отдельных составляющих (3 - экспериментальные данные).
Таким образом, было использовано выражение (1.5.9) для суммарного потока продук-
тов газовыделения с единицы площади поверхности материала - источника Л В.
Из рис. 1.5.5 видно, что на начальном участке расчетные и экспериментальные
кривые кинетики газовыделения почти совпадают, а со временем происходит замет-
ное их расхождение. Такой результат объ-
ясняется тем, что начальный участок кри-
вой кинетики газовыделения определяется
десорбцией, методика определения эффек-
тивных коэффициентов которой достаточно
хорошо отработана. С увеличением време-
ни определяющую роль начинает играть
процесс диффузии продуктов газовыделе-
ния в материале. Оценка эффективных ко-
эффициентов диффузии отдельных продук-
тов газовыделения менее точна. Расхожде-
ния результатов оценки потери массы
материалов за большой промежуток време-
ни (порядка срока эксплуатации КА - не-
скольких лет) при различных значениях
эффективных коэффициентов диффузии, но одинаковом потенциале газовыделения
образца могут быть значительными. Это наблюдается в том случае, если скорости
химических реакций, в которых участвуют ЛВ в материале-источнике, таковы, что
вносят ощутимый вклад в изменение концентрации ЛВ. Если же скорости химиче-
ских реакций малы, и они не оказывают существенного влияния на концентрацию
ЛВ в материале, то при t -> со все Л В должны высвободиться.
Очевидно, что экспериментальное определение всех параметров модели с доста-
точной точностью является сложной проблемой. Но при наличии удачно выбранной
модели современные методы нелинейного регрессионного анализа (НЛРА) позво-
ляют определить недостающие параметры по наборам экспериментальных точек.
Например, программа FITTER [21] является мощным и простым в обращении инст-
рументом для решения подобных задач НЛРА. После определения параметров для
прогностической модели методами НЛРА необходимо проводить контрольные экс-
перименты по кинетике газовыделения для их уточнения.
Рис. 1.5.5. Кинетика потери массы для
образца материала ЭКОМ-1 при Г = 70°С
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
157
1.5.2. Стандартизованные методы испытаний неметаллических материалов
КА па потерю массы
Основное количество ЛВ (летучих продуктов), выделившихся из материалов во
время эксплуатации КА на орбите, может быть условно разделено на 5 групп [22]:
• первоначальная потеря массы, обусловленная выделением находящихся в ма-
териале низкомолекулярных и олигомерных соединений, количество и состав
которых зависит от сырья и технологии производства материала;
• постоянная потеря массы, обусловленная процессом выделения продуктов
термодеструкции полимерной составляющей материала;
• фотолизная потеря массы, обусловленная выделением из материала продук-
тов фотодеструкции полимерной составляющей, образующихся при воздей-
ствии УФ-излучения Солнца;
• радиационная потеря массы, обусловленная выделением из материала продук-
тов радиационной деструкции;
• химическая потеря массы - продукт взаимодействия материала с атомарным
кислородом.
Подобное разделение летучих продуктов (ЛП) имеет большое значение при орга-
низации наземных испытаний материалов.
В данном разделе приведен обзор стандартов по отбору материалов для КА, как
потенциальных источников загрязнения.
1.5.2.1. Основные положения стандартов
В настоящее время существует группа стандартов по отбору для применения
в конструкциях КА неметаллических (полимерных) материалов, как потенци-
альных источников газовыделения и загрязнения, - это стандарт ASTM Е 595
(НАСА, США) [23], ГОСТ Р 50109 (Россия, разработан ЦНИИ Машиностроения) [24],
ESA-PS-01-7022 (Европейское космическое агентство) [25]. Хотя перечисленные стан-
дарты нуждаются в совершенствовании [22,26,27], пока они остаются официальны-
ми документами, определяющими условия и методику испытаний материалов.
Во всех указанных стандартах использован один и тот же метод испытаний мате-
риалов, установлены примерно одинаковые требования по подготовке образцов ма-
териалов к испытаниям, применяется практически тождественное испытательное
оборудование, используются одинаковые критерии отбора материалов. Подобное
сходство стандартов объясняется тем, что европейский и российский стандарты соз-
давались с учетом требований американского ASTM Е 595.
В основе стандарта ATSM Е 595 лежат результаты исследований, выполненных
Стэнфордским университетом США по заданию НАСА. Задачи исследования заклю-
чались в определении влияния ФКП на полимерные материалы и разработке методов
их испытаний. Температура образцов при испытаниях +125°С была выбрана как
верхний предел температуры, с которым можно столкнуться при эксплуатации КА.
Температура пластины, на которой происходит конденсация ЛП (collector plate), бы-
ла выбрана равной +25°C, как средняя температура наружной поверхности КА [28].
Основным видом воздействия на испытываемый материал было выбрано вакуумно-
158
ФИЗИЧЕСКИЕПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
тепловое, причем требования к вакууму были установлены из условия, чтобы сво-
бодный пробег молекул, вылетающих из испытываемого полимерного материала,
был бы во много раз больше расстояния между выходным отверстием камеры с об-
разцом испытываемого материала и соответствующей пластиной. Это требование
выполняется при давлении ниже 5-10”6 торр.
Потерю массы испытываемого образца полимерного материала и массу вещества,
осевшего на пластине за определенный период вакуумно-теплового воздействия, оп-
ределяли гравиметрически по разности масс образца и пластины до и после воздей-
ствия (испытания).
Была установлена необходимость специальной подготовки образцов материалов к
испытаниям с целью обеспечить максимальный выход ЛП из материала в объем ка-
меры. Это возможно только в том случае, когда отношение поверхности образца к
его объему максимально. Подготовка заключалась в измельчении блочных полимер-
ных материалов или в использовании тонких пленок.
В ходе исследований было установлено, что большинство из подготовленных
испытываемых материалов за первые 24 часа при указанном вакууме и температуре
+125°С теряют в среднем от 62% до 73% максимальной потери массы.
Величина максимальной потери массы для каждого из испытанных полимерных
материалов определялась по результатам испытаний, продолжительность которых
достигала нескольких сотен часов. На основании этих данных продолжительность
вакуумно-теплового воздействия была установлена в 24 часа.
Итогом исследований Стэнфордского университета стала формулировка крите-
риев применимости полимерных материалов в составе конструкции КА. Было уста-
новлено два критерия: первый - TML (total mass loss) - полная потеря массы, харак-
теризующий материал как источник газовыделения и показывающий его изменение в
результате вакуумно-теплового воздействия; второй - VCM (volatile condensable ma-
terial) - летучее конденсируемое вещество (ЛКВ), характеризующий способность
продуктов газовыделения материала загрязнять поверхность КА.
Было принято, что материал считается пригодным, если величина TML< 1,0%, а
величина VCM < 0,1%. В [29] дается расширенная трактовка критериев TML и VCM.
Критерий TML характеризует также некоторые материалы, у которых происходит
ухудшение механических и физических характеристик при потере от 3 до 5% массы.
Для эластомеров потеря даже 1% массы приводит к ухудшению их механических
характеристик. Интерпретация критерия VCM состоит в следующем: 1 кГ полимер-
ного материала, ЛП которого содержат 0,1% VCM, покроет равномерным слоем
плотностью 10”6 г-см”2 площадь 100 м2, что соответствует примерно 20 монослоям и
толщине слоя ~1 мкм.
Оборудование для испытания полимерных материалов, созданное в процессе опи-
санных исследований, состояло из блока камер, имеющих цилиндрическое сопло, в
которых размещались подготовленные образцы материалов; блока сепарационных
пластин, обеспечивающих попадание ЛП, выходящих из камеры, на соответствую-
щую ей пластину; блока пластин для сбора конденсирующихся веществ. Блок камер
и блок пластин имели системы термостатирования.
Было создано два вида оборудования [28]. Первый - для испытания микрообраз-
цов, а второй - для макрообразцов. Оборудование для испытания микрообразцов бу-
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
159
дет подробно рассмотрено далее при описании стандартов. Указанные виды обору-
дования отличаются только размером камер для образцов. Для макрообразцов было
введено ограничение по толщине, которая не должна превышать 0,125 дюйма
(~3,2 мм). Продолжительность вакуумно-теплового воздействия на макрообразцы
выбирается из ряда 24, 48, 96 и 330 часов. Использование макрообразцов дает воз-
можность связать изменение физико-механических и электрических свойств мате-
риала с параметрами процесса газовыделения (TML, VCM) при равном вакуумно-
тепловом воздействии.
1.5.2.2. Сравнительное описание стандартов
Обозначения
• TML - total mass loss (полная потеря массы) [23, 25], эквивалент в [24] - ППМ
(полная потеря массы);
• CVCM - collected volatile condensable material (собранное ЛКВ) [23, 25], экви-
валент в [24] - ЛКВ;
• RML - recovered mass loss (восстановленная потеря массы) [23, 25]; эквивалент
в [24] отсутствует;
• WVR - water vapour regained (возвращенные пары воды) [23, 25], эквивалент
в [24] отсутствует;
• specimen camber (камера для образца) [24], specimen compartment (ячейка для
образца) [24] эквивалент в [24] - изотермический контейнер;
• separator plate (разделительная пластина) [23, 25]; эквивалент в [24] - сепа-
ратор;
• collector plate (собирающая пластина, осадительная пластина) [23, 25]; эквива-
лент в [24] -конденсирующая пластина.
Метод испытаний
Сущность метода заключается в проведении вакуумно-теплового воздействия при
постоянной температуре в течение строго определенного времени на подготовленные
образцы материалов, помещенных в специальные камеры, и в улавливании выделив-
шихся из образцов конденсирующихся ЛП осадительными пластинами, термостати-
рованными при строго определенной температуре.
Метод определения параметров газовыделения материала
Потерю массы и содержание конденсирующихся ЛП определяют по разности
масс образца и конденсирующей пластины до и после проведения испытаний. Вос-
становленную потерю массы определяют по разности масс образца до и после рекон-
диционирования, проводимого сразу по окончании испытаний.
Вакуумно-тепловое воздействие
Температура образца материала в изотермическом контейнере +125 ± 1°С; темпе-
ратура конденсирующей пластины +25 ± 0,5°C; продолжительность воздействия тем-
пературы +125 ± 1°С на образец материала - 24 часа; остаточное давление в вакуум-
ной камере не выше: 10”3 Па [25], 7-10”4 Па [23, 24].
160 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Летучие продукты
Образование ЛП, выделяемых материалом в процессе вакуумно-теплового воздей-
ствия, обусловлено двумя процессами, протекающими параллельно: первоначальной
потерей массы и постоянной потерей массы. Именно протекание последнего процесса
накладывает на данные методы испытаний некоторые ограничения.
Ограничения метода
В [25] указано, что хотя данный метод дает надежные данные по характеристикам
газовыделения материалов при температуре +125°С, но некоторые материалы при
температуре эксплуатации имеют кинетику газовыделения, отличную от кинетики
газовыделения при температуре +125°С (иная величина энергии активации процесса
газовыделения). Сравнение вкладов загрязнения строго определено для конденси-
рующих пластин при температуре +25°C с одинаковыми коэффициентами прилипа-
ния. В дополнение к вышесказанному можно привести следующее рассуждение. До-
пустим, что предполагается эксплуатация некоторого полимерного материала в не-
герметичном отсеке КА, где максимальная температура материала не превысит
+50°С, а предельная температура эксплуатации для данного материала, при которой
он сохраняет свои характеристики, составляет +110°С. В этом случае проведение
отборочных испытаний при температуре +125°С может существенно исказить ре-
зультат за счет активной термодеструкции материала (процесс постоянной потери
массы). Следствием испытания станет неоправданная отбраковка материала.
Подготовка образцов материала к испытаниям
Требования к подготовке образцов материалов к испытаниям в [23-25] одина-
ковы. Основная задача подготовки - обеспечение максимального выхода ЛП из
материала в объем камеры для образца.
Кондиционирование
Под кондиционированием подразумевается выдержка образцов материала в опре-
деленных условиях окружающей среды в течение определенного периода времени.
Кондиционирование проводится для исключения влияния условий хранения мате-
риала на результаты испытаний. В [25] указанная продолжительность кондициониро-
вания составляет 24 часа при температуре +20 ± 1 °C и относительной влажности воз-
духа 65 ± 5%. В [23] - продолжительность кондиционирования составляет 24 часа
при температуре +20 ± 2°С и относительной влажности воздуха 50 ± 5%. В [24] про-
должительность кондиционирования указана не менее 24 часов при температуре
+23 ± 2°С и относительной влажности воздуха 50 ± 5% при условии, что уменьшение
массы образца составит не более 2-10”4 г.
Необходимо отметить, что в [23, 25] кондиционированию подвергаются уже под-
готовленные к испытанию образцы материала, в [24] кондиционированию подверга-
ется сам материал, а уже потом из него изготавливаются образцы для испытания.
Точность взвешивания
В [23, 25] точность взвешивания образца материала и конденсирующей пластины
должна составлять 1-10”6 г. В [24] устанавливается точность взвешивания 2-10-4 г для
образца материала и 2-10”5 г для конденсирующей пластины.
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
161
Испытательная аппаратура
Испытательная аппаратура состоит из набора ячеек, устройство которых показано
на рис. 1.5.6 [23, 25] и на рис. 1.5.7 [24]. Количество ячеек колеблется от 12 [24] до
24 [23, 25]. Ячейки конструктивно объединены в три блока:
• блок нагревательного устройства;
• блок сепаратора;
• блок охлаждения с конденсирующими пластинами.
Рис. 1.5.6. Конструкция оборудования Micro VCM Equipment
согласно стандарту ESA-PSS-01-702: 1 - нагревательный
блок; 2 - камера для образца; 3 - блок сепаратора;
4 - конденсирующая пластина; 5 - блок охлаждения
Рис. 1.5.7. Конструкция испытательного оборудования
согласно ГОСТ Р 50109: 1 - нагревательный блок;
2 - изотермический контейнер; 3 - блок сепаратора;
4 - конденсирующая пластина; 5 - блок охлаждения
162
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Геометрические размеры испытательного оборудования, показанного на рис. 1.5.6
и 1.5.7, представлены в табл. 1.5.1.
Таблица 1.5.1
Геометрические размеры испытательного оборудования
Обозначение ГОСТ Р 50109, мм ASTM Е 595 (ESA PSS-01-702), мм
D 33 33
Do - 50
А 12 11
Н 17 13,45
н, 13 9,65
н2 15 9,6
Нз 16,5 12,8
L 48 -
Do 6,5 6,35 (6,3)
* 16 16
/о 9 12,7
Л2 9,5 8,25
5. 2 0,75
Рекомендуемый материал для изготовления корпусов блоков - медь. Материал
конденсирующих пластин - хромированный алюминий [23, 25], нержавеющая
сталь [24].
Образцы материалов при испытаниях по [23, 25] помещаются в лотки из алю-
миниевой фольги, и только потом - в камеру для образца. В [24] для этих целей
служит изотермический контейнер, выполненный из нержавеющей стали.
Порядок проведения испытаний
В порядке проведения испытаний между обсуждаемыми стандартами разли-
чий нет.
1.5.2.З. Понятие эквивалентной энергии процесса выделение-осаждение ЛП из
полимерных материалов
Представленный в данном разделе материал в значительной степени воспроиз-
водит результаты работы [29], которая, по мнению автора, является весьма успеш-
ной попыткой достижения понимания факторов, влияющих на результат испытания
материалов по отборочным стандартам, и открывает пути по расширению сферы их
применения. При воспроизведении результатов этой работы по возможности со-
хранены обозначения и термины оригинала.
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
163
Баланс масс на конденсирующей пластине за весь период испытаний (24 часа)
может быть выражен уравнением:
тс =тоЧ T“wrev» (1.5.20)
где тс - масса, осевшая на пластине и зафиксированная на момент окончания испы-
таний (CVCM); wrev - масса, переиспарившаяся с поверхности пластины за весь пе-
риод испытаний; mQ - масса ЛП, покинувшая камеру с испытываемым образцом ма-
териала; у - коэффициент конденсации; ср - геометрический коэффициент переноса
массы от выходного отверстия цилиндрического сопла камеры с образцом к конден-
сирующей пластине.
Величина ср рассчитывается [30], исходя из предположения о диффузном характе-
ре распределения молекул на выходе из цилиндрического сопла камеры. Для испыта-
тельного оборудования из [23, 25] величина ср имеет значение 0,54. Однако в случае,
если испытываемый материал обладает большой потерей массы, выходящий молеку-
лярный поток будет коллимироваться (сжиматься), при этом ср —> 1.
Коэффициент конденсации у выражает вероятность того, что падающая на кон-
денсирующую пластину молекула будет адсорбирована, придет в термическое рав-
новесие с поверхностью и будет хотя бы временно удержана ею. Согласно [29], у « 1
для условий испытаний.
Истечение ЛП газовыделения материала через сопло камеры может быть описано
уравнением:
2о=^ = 7Роио^а, (1-5-21)
dx 4
где Qq, [кг-с-1] - поток массы ЛП через цилиндрическое сопло камеры; р0, [кг-м-3] -
плотность паров ЛП, одинаковая как в камере, так и в цилиндрическом сопле;
и0, [м-с"1] - средняя арифметическая скорость молекул ЛП; So, [м2] - площадь попе-
речного сечения цилиндрического сопла; So = 7td0/49 где dQ, [м] - диаметр цилиндри-
ческого сопла; а - коэффициент Клаузинга, для цилиндрического сопла а « 4dQ/ 3/0,
где /о, [м] - длина сопла.
Основным допущением, дающим возможность использования уравнения (1.5.21),
являются рассмотрение ЛП как идеального мономолекулярного газа.
Поток массы Qrcv переиспарившихся ЛП с поверхности конденсирующей пла-
стины может быть описан уравнением:
= (1-5.22)
dx 4
где рс, [кг-м-3] - плотность паров ЛП над пластиной; ис, [м-с-1] - средняя арифмети-
ческая скорость переиспарившихся продуктов ЛП; SC9 [м2] - площадь конденсирую-
щей пластины.
Из уравнений (1.5.21) и (1.5.22) получим для случая использования круглой кон-
денсирующей пластины диаметром D следующее соотношение:
(2rcv _ ^ГСУ _ Рс»^ Q 5 23)
Qo dm0 p0u0t/02a’
164
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙСРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Используя основной закон состояния газа, преобразуем (1.5.23) к виду:
Qq ^0 V с /
(1.5.24)
(1.5.25)
D2
clcIq
где PQ, То - давление и температура паров материала в камере; РС9 Тс - параметры
паров над конденсирующей пластиной.
Скорость сублимации (испарения) чистого вещества с единицы поверхности
описывается уравнением Кнудсена-Ленгмюра:
у/2тщРТ
где аи - полный коэффициент испарения; Ps - давление насыщенного пара вещест-
ва над его поверхностью при температуре Г; Ру- давление пара вещества в объеме
при температуре Т.
Считая, что Ps^>Py и аи не зависит от температуры, т. е. аи(Г0) = а^Т^), соотно-
шение скоростей сублимации (испарения) одного и того же вещества при температу-
рах То и Тс может быть выражено уравнением:
(1.5.26)
(1.5.27)
(1.5.28)
Далее, полагая Рс = PS(TC) и Ps(Tq) = PQ, получим:
Qm = wKV Рг
Qq °^о
Объединяя (1.5.20) и (1.5.27), имеем:
FKrev ( CVCM^l ос<702
= уср-----------—
Wo С TML ) D2
Поскольку энергия когезии для большинства органических соединений приблизи-
тельно постоянна, а состав ЛП на конденсирующей пластине близок составу исход-
ного материала, следует ожидать соответствия как значений энергии десорбции ЛП с
поверхности материала и конденсирующей пластины, так и тождества констант про-
цесса.
Описывая скорость процесса десорбции с единицы поверхности законом Арре-
ниуса:
(1.5.29)
( F \
lF = .Kexp----,
Ч RT)
где К - константа десорбции; Е - энергия активации процесса десорбции, и, счи-
тая величину Е постоянной в диапазоне температур Тс-Т0, представим (1.5.29) в
виде:
W К ( F А
ч=чсхрЬ(1/7;-1М
(1.5.30)
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
165
Далее получим окончательное выражение для энергия активации процесса де-
сорбции Е\
ТТ ( D2
E = R—^-1п—--------------------- . (1.5.31)
Тй - Тс ad2 (УФ - CVCM / TML) J
Если бы после получения уравнения (1.5.28) не был осуществлен переход от опи-
сания процесса сублимации (испарения) к процессу десорбции, итоговое уравнение
имело бы следующий вид:
Q = R-^- Inf (71 /Т )'/2 —-----------Д (1.5.32)
т0-т; 0 с) си/02(уф-сусм/тмь);
В этом случае величина Q означала бы усредненную энергию сублимации (испа-
рения) в диапазоне температур TC-TQ для данного ЛП.
1.5.2.4. Применение эквивалентной энергии для объяснения результатов испытаний
по ASTM Е 595
Верхняя и нижняя границы метода определения CVCM могут быть заданы на ос-
новании уравнения (1.5.31) и приводимых ниже положений.
Верхняя граница метода определяется условием отсутствия процесса пере-
испарения ЛП с поверхности конденсирующей пластины (wrev = 0), в этом слу-
чае количество CVCM стремится к максимальной величине, определяемой уравне-
нием:
(1.5.33)
(1.5.34)
CVCMmax = TML фу.
Нижняя граница метода определяется величиной Emjn, ниже которой ЛП не будут
обнаружены по результатам испытаний, т. е. CVCM —> 0.
Из уравнения (1.5.31) следует, что величина Emjn может быть определена как:
Е =/?.2^к1п^—
Тй-Тс б/0ауф
При устанавливаемых в ASTM Е 595 размерах испытательной ячейки
(б70 = 6,35 мм; D = 33,0 мм; /0= 12,7 мм; а ~ 0,667; ф = 0,54) и условий испытаний
(Тс = 298 К; То = 2,98 К; у = 1) величина £min = 42,81 кДж-моль"1.
Преобразование уравнения (1.5.31) к виду:
CVCM = TML
D2 ( Е Т0-Тс
УФ------ехр--------2—-
ad2 R ТОТС
(1.5.35)
позволяет проводить оценку изменения количества осаждающихся ЛП при измене-
нии температуры конденсирующей пластины Тс.
Согласно [11], при Е > 45 кДж-моль"1 количество CVCM, рассчитанное по
данному методу, совпадает в пределах ±10% для материалов, состав которых из-
вестен.
166
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
1.5.2.5. Оценка ожидаемых отличий результатов испытаний неметаллических
материалов по ГОСТ Р 50109 и ASTM Е 595 (ESA PSS-01-702)
Как следует из табл. 1.5.1, основное различие в испытательном оборудовании
между ГОСТ Р 50109 и ASTM Е 595 (ESA PSS-01-702) сводится к следующему:
• отличаются значения диаметра цилиндрического сопла и его длины /0, что
приводит к отличию рассчитанных значений коэффициента Клаузинга а;
• разное расстояние между выходным отверстием сопла и конденсирующей пла-
стиной может сказаться на величине геометрического коэффициента переноса
массы ср.
Используя понятие эквивалентной энергии Е, покажем, что ожидаемое различие в
результатах испытаний может быть весьма существенным.
Допустим, что последовательно проводятся испытания проб одного и того же
материала, прошедших одинаковую подготовку перед испытаниями, вначале по
ASTM Е 595, а затем по ГОСТ Р 50109.
Пусть при испытании по ASTM Е 595 были получены следующие значения кри-
териев: TML = 1,0% и CVCM = 0,1%.
Основываясь на приведенных выше уравнениях, можем записать:
ППМ (iS’o°c)2 (^о а)г /1 с
-----=--------= —;---, (1 .э.Зо)
TML (50а), (б/02а),
где индекс 1 относится к испытательному оборудованию по ASTM Е 595, а ин-
декс 2 - по ГОСТ Р 50109.
Используя приведенное выше выражение для коэффициента Клаузинга цилинд-
рического сопла, получим:
(1.5.37)
TML /02
Подставляя в (1.5.37) значения геометрических размеров из табл. 1.5.1:
^02 = 6,5 мм, /02 = 9,0 мм, rfoi = 6,35 мм, /01 = 12,7 мм, имеем:
ППМ ~ !
TML ~ ’
Величина ЛКВ может быть оценена на основании преобразованного уравне-
ния [19]:
ЛКВ = CVCM + (ППМ ср2 -TML ср,). (1.5.38)
Полагая ср2 » Ф1 = 0,54, TML=l,0%, CVCM = 0,1%, ППМ =1,51%, получаем
ЛКВ «0,38%.
Таким образом, материал, испытанный по ASTM Е 595 и допущенный к примене-
нию (TML= 1,0%, CVCM = 0,1%), по результатам испытаний по ГОСТ Р 50109 не
может быть допущен (ППМ ~ 1,5%, ЛКВ ~ 0,38%).
Фактически из изложенного выше следует неэквивалентность результатов испы-
таний по ГОСТ Р 50109 и по ASTM Е 595 (ESA PSS-01-702) при полной тождествен-
ности метода и условий испытаний.
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
167
1.5.3. Результаты испытаний типовых материалов КА
В настоящем разделе представлены результаты выполненных по стандар-
тизованной методике [24] испытаний неметаллических материалов разных видов,
применяемых в конструкции КА. Эти данные были получены и использованы,
в частности, при создании в НПП ВНИИЭМ геостационарного КА «Элект-
ро» [31].
Результаты испытаний представлены в табл. 1.5.2, где даны значения полной
потери массы (ППМ) и массы ЛКВ.
Параметры газовыделения материалов
Таблица 1.5.2
Марка материала ППМ, % ЛКВ, % Марка материала ППМ, % ЛКВ, %
ЭМАЛИ ПРОВОДА
АК-512 белая 5,67 1,44 МПФЛ-ОС 0,17 0,05
ЭП-51 черная 2,07 0,28 МГТФ 0,02 0,01
ЭП-140 черная 1,36 0,28 МГТФ-ОС 0,01 0,01
ЭП-140 белая 4,95 0,07 МПМ (черный) 0,24 0,08
ЭФ-118М 1,07 0,14 МСЭ16-13-ОС 0,01 0,01
ЭП-572 12,0 0,01 МС 16-12 0,20 0,002
АК-562 черная 0,27 0,02 РК 75-2-12 0,20 0,09
ХС-928 черная 2,74 0,01 СТЕКЛОТЕКСТОЛИТ
ХС-973 серая 0,80 0,03 СФ-24-50Г 0,25 0,02
ФП-5426 черная 2,30 0,05 СФ-2-50 0,26 0,01
ЛАКИ СТЭФ-1 0,42 0,02
КО-916 К 1,36 0,27 СТЕКЛОЛАКОТКАНЬ/СТЕКЛО’ ГКАНЬ
УР-231 6,0 0,16 ЛСК 155/180 0,63 0,18
АК-113 13,4 3,4
СПТ-3 0,41 0,14
ЭП-730 6,67 0,09
КЛЕИ УГЛЕПЛАСТИК
АК-20 14,2 0,56 СЛОКАРБОН-ЗУ | 0,73 0,001
На основе смолы ЭД-20 0,28 0,01 ПЛЕНКИ И ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
На основе смолы ЭД-16 3,82 0,01 ПЭТ 0,35 0,07
БФ-4 6,59 0,52 ПМФС-351 0,78 0,03
ВК-9 0,83 0,05 ИМИДОФЛЕКС 1,05 0,01
88Н 5,62 0,92
РЕЗИНА
БФ-2 2,50 0,20
ТМКЩ-С 4,32 1,40
Эластосил В 7312 0,64 0,15
ИРП-1118 1,43 0,31
ВС-ЮТ 1,36 0,01
ЛЕНТА
ГЕРМЕТИКИ Фторопластовая Ф-ЧПН 0,6 0,05
«Виксинт» У-4-21 1,09 0,29 Батистовая 1с 1,45 0,40
«Виксинт» ПК-68 марки А 0,87 0,26
ПОЛИАМИД
КОМПАУНДЫ ПА-610 1,61 0,07
КП-103 8,9 1,42 ПА-61 0-А-С8-30 0,87 0,02
ЭКАМ-60Н 0,60 0,03
ЭК-5 1,15 0,13 ФТОРОПЛАСТ
КП-34 1,34 0,07 ЧПН | 0,06 | 0,05
К-68 2,37 0,38 СМАЗКА
К-115 2,15 0,05 ВНИИНП-274Н | 0,17
168
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
В табл. 1.5.3 приведены результаты исследования влияния термовакуумной обра-
ботки (температура 75 ± 5°С, продолжительность 170 ч, давление 10"3 торр) на ваку-
умные свойства материалов. После термовакуумной обработки (ТВО) существенно
повышаются значения ППМ и ЛКВ у следующих материалов: эмали ЭП-51 (черная) и
ЭП-140 (черная), компаунд ПДИ-ЗАК, стеклоткань ЛСК 155/180. Повышение значе-
ний ЛКВ при понижении ППМ наблюдается у лака УР-231 и компаунда 10-80-2М.
Таблица 1.5.3
Влияние термовакуумной обработки на вакуумные свойства материалов
Марка материала До ТВО После ТВО
ППМ, % ЛКВ, % ППМ, % ЛКВ, %
ЭМАЛИ
ЭП-51 (черная) 2,07 0,28 3,19 0,60
ЭП-140 (черная) 1,36 0,28 3,47 2,22
ЭФ-1118М 1,07 0,14 0,30 0,16
МЧ-240 (черная) 1,77 0,57 0,35 0,12
ЭП-572 12,0 0,01 4,59 0,002
ЭП-140 (белая) 4,95 0,07 1,08 0,13
ЛАК
УР-231 6,0 I 1 <>,19 1 1,49 1 0,30
КРАСКА МАРКИРОВОЧНАЯ
БМК 1 51,0 | 1 17.0 | 1 ‘О.? 1 1 4,5
КЛЕИ
К-ЗООН 6,00 0,01 6,80 0,04
На основе смолы ЭД-16 3,82 0,01 3,48 0,02
ВК-9 0,83 0,05 0,98 0,02
КОМПАУНДЫ
ЭЗК-9 3,39 0,09 3,96 0,06
ЭК-5 1,15 0,13 1,18 0,09
КП-34 1,34 0,07 1,14 0,12
ЭТУ-3 5,50 0,05 2,02 0,04
К-115 2,15 0,05 1,23 0,02
10-80-2М 2,76 0,05 2,18 0,38
ПДИ-ЗАК 1,00 0,24 1,60 0,73
СТЕКЛОТЕКСТОЛИТ
ВФТС-2,5 1,38 0,10 1,01 0,02
СТЕКЛОЛАКОТКАНЬ
ЛСК 155/180 0,63 0,18 1,15 0,65
СТЕКЛОТКАНЬ
СПТ-3 0,41 0,14 0,48 0,10
УГЛЕПЛАСТИК
СЛОКАРБОН-ЗУ тип III 0,64 0,002 0,45 0,005
ЛЕНТА
ЛЭТСАР 1,98 0,51 1,03 0,42
СОПОЛИМЕР ПОЛИАМИДА
АК-93/7 2,02 0,01 2,13 0,03
ПРЕССМАТЕРИАЛ
АГ-4С | 1 0,09 | 0,89 | 0,02
ГЛАВА 1.5
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
169
Благоприятное воздействие ТВО оказывает на эмали ЭФ-1118М, МЧ-240М (чер-
ная), ЭП-572, ЭП-140 (белая), краску БМК, компаунды ЭТУ-3, К-115, стеклотексто-
лит, ленту ЛЭТСАР, прессматериал АГ-4С.
Вакуумные свойства материала СЛОКАРБОН-ЗУ после проведения ТВО остают-
ся на прежнем уровне.
Ряд материалов - эмали ЭФ-1118М, МЧ-240М (черная), ЭП-140 (белая), компаунд
К-115, стеклотекстолит ВФТС-2,5 и прессматериал АГ-4С - после ТВО стали соот-
ветствовать установленным требованиям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Delphine FAYE. Calculation approach for outgassing curves of РШ paint and molecular contamination mod-
eling: ground testing and computer simulation». 8th International Symposium on «Materials in a space envi-
ronment», Arcachon-France, 5-9 June 2000.
2. Guillin J. Evaluation of isothermal outgassing kinetics for some materials used in space. Proceedings of the
Third European Symposium on Spacecraft Materials in Space Environment, ESA SP-232. The Netherlands,
October 1985, pp. 35-38.
3. Khassanchine R.H., Grigorevskiy A.V. Some aspects of simulation of outgassing processes under thermal
vacuum exposure to coatings applied to space vehicles. Protection of Materials and Structures from Space En-
vironment, ICPMSE-6, Toronto, Canada, May 2002, pp. 327-334.
4. Хасаншин P.X. Математическое моделирование конденсации продуктов газовыделения при термова-
куумном воздействии на материалы покрытии космических аппаратов. Космонавтика и Ракетострое-
ние, 2003, вып. 4 (33), с. 111-120.
5. Khassanchine R.H., Grigorevskiy A.V. Simulation of outgassing processes in spacecraft coatings induced by
thermal vacuum influence. AIAA Journal of Spacecraft and Rockets, 2004, v. 41, No 3.
6. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. M.: Мир, 1979.
7. Махлис Ф.А. Радиационная физика и химия полимеров. М.: Атомиздат, 1972.
8. Финкель Э.Э., Брагинский Р.П. В сб.: Радиационная химия полимеров. М.: Наука, 1973.
9. Кузьминский А.С., Федосеева T.C., Махлис Ф.А. В сб.: Радиационная химия полимеров. М.: Наука, 1973.
10. Дорофеев Ю.И., Скурат В.Е. Химия высоких энергий, 1988, т. 22, № 3, с. 245.
11. Хрущ Б.И. Химия высоких энергий, 1977, т. 11, № 5, с. 332.
12. Валиев К.А. и др. Поверхность. Физика, химия, механика, 1985, № 6, с. 86.
13. Брискман Б.А. и др. Химия высоких энергий, 1988, т. 22, № 3, с. 245.
14. Брискман Б.А. и др. Атомная энергия, 1988, т. 22, № 3, с. 245.
15. Брискман Б.А., Милинчук В.К. В сб.: 1 Всесоюзное Совещание Диэлектрические материалы в экстре-
мальных условиях. T. 2. Суздаль, 1990, с. 239-256.
16. Hall D.F. Photo-enhanced Spacecraft Contamination Deposition. ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 1-4 Oct.
1985, pp. 39-48.
17. Kung C.O., Wright A.N. Surface photopolymerization from hexachlorbutadiene. J. Chemical Society, Faraday
Trans., 1972, v. 68, part 1, pp. 140-149.
18. Thomas B. Stewart et al. Photochemical spacecraft self-contamination: Laboratory results and systems impacts.
J. Spacecraft, 1989, v. 26, No 5.
19. Roffey C.G. Photopolymerization of surface coatings. Wiley, New York, 1982.
20. Kruger R., Shapiro H. NASA TM-81999, Aug. 1980.
21. Fitter Add-Inn, 1998, http://polycert.chph.ras.ru/fitter.htm
22. Сальников B.A., Вайсберг Б.С. Потеря массы материалами в вакууме (Математическая модель). The VI
International Symposium on Spacecraft Materials in Space Environment, ESTEC, Noordwijk, The Nether-
lands, 19-23.09.1994.
170 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
23. ASTM Е 595-90. Total mass loss and collected volatile condensable material from outgassing in a vacuum
environment.
24. ГОСТ P 50109-92. Материалы неметаллические. Метод испытания на потерю массы и содержание
летучих конденсирующихся веществ при вакуумно-тепловом воздействии.
25. ESA PSS-01-702 Issue 2. October 1994. A thermal vacuum test for the screening of space materials.
26. Garret J.W., Glassford A.P.M., Falco P.M. The AFML (Lockheed test method for characterizing material
outgassing and deposition kinetics). AIAA Paper 86-1279.
27. Chen A.T., Tomton M.M., Leet S.J., Shaw C.G., Bowman D.R., McEachen G.A., Lieu B.H. Non-standard
method for material out gassing rate measurement. AIAA Paper 90-1768.
28. Apparatus for testing polymetric materials. Patent U.S. № 3.546.920 (NASA, USA). Dec. 1970.
29. Scialdone J. J. An equivalent energy for the outgassing of space material. NASA-TN-D-8294, 1976.
30. Jackson C.E., Puccinelly E.F. View Factor Computer Program (VIEW). NASA Tech. Brief. B-75-1032, 1975.
31. Khodnenko V.P., Mtlnichenko M.A., Tyutnev A.P., Novikov L.S. Outgassing studies of outer materials used
on Electro spacecraft. Proc, of the 7th European Symposium on Materials in Space Environment, ESA SP-399,
The Netherlands, August 1977, pp. 169-171.
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА
НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ
НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Гужова С.К.1, Новиков Л.С.1, Черник В.Н.1; Скурат В.Е.2
1 НИИ ядерной физики МГУ
2 Институт энергетических проблем химической физики РАН
Список сокращений
АК атомарный кислород ППЗ повторяющееся полимерное звено
ВУФ вакуумное ультрафиолетовое СВА собственная внешняя атмосфера
ИК инфракрасное УФ ультрафиолетовое
КА космический аппарат ЭВТИ экранно-вакуумная теплоизоляция
МКС Международная космическая станция ЭМИС электромагнитное излучение Солнца
ОС орбитальная станция ЭЦР электронно-циклотронный резонанс
ВВЕДЕНИЕ
Атомарный кислород (АК), являющийся доминирующим компонентом атмосфе-
ры Земли на высотах ~200-700 км [1], может оказывать значительное повреждающее
воздействие на материалы внешней поверхности низкоорбитальных космических
аппаратов (КА). АК обладает высокой химической активностью, которая усилена
кинетической энергией сталкивающихся с поверхностью атомов (~5 эВ), обуслов-
ленной орбитальной скоростью КА. Под действием потока АК происходит распыле-
ние (потеря массы) материалов. Продукты распыления вносят существенный вклад в
формирование собственной внешней атмосферы (СВА) КА и пленок загрязнений на
172
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
поверхности. В результате воздействия АК могут также значительно изменяться ме-
ханические, оптические и электрофизические свойства материалов.
В наибольшей степени подвержены разрушающему воздействию АК полимерные
материалы. Для них толщина уносимого с поверхности слоя может достигать не-
скольких десятков и даже сотен микрометров в год.
До настоящего времени не создана завершенная модель, описывающая совокуп-
ность механизмов воздействия АК на полимерные материалы. Рассматриваются две
основные схемы [2]. Многостадийный процесс (Langmuir-Hinshelwood) включает
несколько последовательных и параллельных процессов: прилипание атома к по-
верхности, его термализация, растворение в объеме материала, диффузия и реакция
с молекулами полимера в термализованном состоянии. В этой схеме пути реакций
для изначально быстрых атомов и атомов с тепловыми энергиями не отличаются, а
возрастание скорости травления полимера при росте энергии атомов объясняется
увеличением коэффициента прилипания атомов к поверхности. Согласно другой
схеме (Eley-Rideal) реализуются прямые реакции с молекулами полимера быстрых
атомов при первичном соударении с поверхностью еще до их термализации. Обра-
зующиеся продукты затем вступают во вторичные реакции с образованием на ко-
нечной стадии простых газообразных окислов С и Н. При этом увеличение энергии
атомов приводит как к возрастанию сечений реакций, так и к возникновению до-
полнительных каналов реакций.
Воздействие АК может усиливаться эффектами, вызываемыми электромагнитным
излучением Солнца (ЭМИС): фотолизом материалов под действием ультрафиолето-
вого (УФ) излучения и периодическим нагревом и охлаждением (термоциклирова-
нием). В некоторых случаях совместное воздействие коротковолновой части ЭМИС
и АК может приводить к возникновению синергических эффектов.
Для количественной характеристики уноса материала под действием набегающе-
го потока АК используют массовый и объемный коэффициенты эрозии, равные соот-
ветственно отношению удельных потерь массы или объема к флюенсу АК с размер-
ностями г/атом О или см3/атом О. Для обозначения последнего в зарубежной литера-
туре часто применяют термин reactivity, который в отечественных публикациях
переводится как «эффективность реакции». Ниже будет применяться термин коэф-
фициент эрозии R (как массовый, так и объемный).
Исследования воздействия потока АК на материалы проводят как в натурных ус-
ловиях на борту КА, так и на лабораторных стендах. Для генерации быстрых атомов
О используют разнообразные методы молекулярных пучков. Хотя лабораторное мо-
делирование не позволяет в полном объеме воспроизвести воздействие космической
среды на материалы, оно дает возможность проводить систематические исследования
эффектов воздействия и оперативно выполнять ускоренные испытания новых мате-
риалов.
В настоящей главе приведены результаты натурных и лабораторный исследова-
ний распыления материалов и изменения их свойств под действием АК, рассмотрены
расчетные методы оценки коэффициентов эрозии полимеров и прогнозирования их
стойкости в условиях космического пространства, описаны методы и технические
средства лабораторных испытаний материалов на стойкость к воздействию АК, ука-
заны основные способы защиты материалов.
ГЛАВА 1 6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ II ЭЛЕМЕНТЫ...
173
1.6.1. Унос массы материалов под действием потока атомарного кислорода
1.6.1.1. Изменения потока АК в области низких околоземных орбит
При оценке уноса массы материалов под действием АК следует учитывать, что
границы высотного диапазона, где АК является основной атмосферной составляю-
щей, и концентрация АК в его пределах сильно зависят от уровня солнечной актив-
ности. На рис. 1.6.1 приведена зависимость концентрации АК от высоты для средне-
го, минимального и максимального уровней, а на рис. 1.6.2 показано изменение годо-
вого флюенса АК на орбите с высотой 400 км в течение 11-летнего цикла солнечной
активности [2].
Для ориентировочных оценок можно считать, что при среднем уровне солнечной
активности годовой флюенс АК в диапазоне высот 200-1 000 км составляет от 1023 до
1018 см’2.
Рис. 1.6.2. Изменение годового флюенса
потока атомарного кислорода
в течение 11-летнего цикла
солнечной активности
Рис. 1.6.1. Зависимость концентрации АК
от высоты h для различных уровней
солнечной активности: 1 - минимальная;
2 - стандартная; 3 - максимальная
1.6.1.2. Данные натурных и лабораторных исследований уноса массы материалов
В конструкции наружных элементов современных КА применяются материалы
разных классов: металлы и сплавы, неорганические соединения (керамики и стекла,
оксидные пленки и пигменты, композиты), углеродные материалы и органические
полимеры.
Данные о потере массы материалов поверхности КА при полете в ионосфере по-
лучены в измерениях на советских орбитальных станциях (ОС) «Салют», «Мир»
[3-7], на американском космическом корабле «Space Shuttle» [8, 9], а также специ-
ализированных модулях и КА США (HST, LDEF) [9], Франции (FRECOPA на КА
LDEF [10]), Японии (SPU) [11], Германии (SESAM на КА ASTRO-SPAS) [12] и ЕКА
(EURECA) [13] и др.
Значительный объем научной информации об изменении свойств материалов по-
лучен на специализированном КА LDEF (Long Duration Exposition Facility) [9] во
174
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
время его функционирования в течение 69 месяцев (1989-1994) в диапазоне высот
476-330 км. В настоящее время натурные эксперименты по изучению воздействия
факторов космического пространства на материалы продолжаются на МКС [14, 15].
Российский эксперимент «КОМПЛАСТ» проводится с 1998 г. На внешней поверх-
ности МКС размещены панели с большим числом образцов материалов. После экс-
позиции в открытом космосе кассеты с образцами должны доставляться на Землю
в герметическом контейнере для проведения их лабораторных исследований [15].
Подобный материаловедческий эксперимент на МКС под названием Materials Inter-
national Space Station Experiment (MISSE) начат в 2001 г. также на американском
сегменте станции [16].
Большое число экспериментов по изучению воздействия АК на материалы про-
водится также в лабораторных условиях на специально созданных установках
(см. разд. 1.6.5). Ниже приводятся данные как натурных, так и лабораторных экспе-
риментов.
Распыление и окисление металлов
В конструкциях КА металлы на наружных поверхностях используются в качестве
электрических проводников, теплопроводящих и светоотражающих материалов в
антенных узлах, солнечных батареях, кабелях и разъемах, в зеркальных элементах и
экранах ЭВТИ (Au, Ag, Al, Ni, Си), в силовых элементах, а также для твердой смазки
сильно нагруженных пар трения (Ag). Тугоплавкие металлы (W, Мо, Та, Nb, Hf, Zr)
применяются в высокотемпературных радиаторах бортовых энергетических устано-
вок и в соплах ракетных двигателей.
При натурных испытаниях устойчивости различных металлов к воздействию АК
на борту корабля «Space Shuttle» (STS-3, 4, 5 и 8) [8, 9] и КА LDEF [9] экспонирова-
лись следующие металлы: Au, Pt, Ag, Os, Cu, Al, Cr, Sn, Mg, Ni, Pb, Ta, Nb, Mo. Bee
испытанные на KA металлы, за исключением Au и Pt, химически соединяются с ато-
мами кислорода, поэтому для них имеет место накопление кислорода в приповерхно-
стном слое, сопровождаемое химически замедленным физическим распылением ме-
талла. Конкуренция обоих процессов может приводить как к увеличению, так и к
потере массы материала.
Полученные в полетных экспериментах данные показали, что для всех метал-
лов, кроме Ag, Си и Os, коэффициент распыления набегающим потоком АК не пре-
вышает 10"5. На поверхности большинства металлов образуется окисная пленка
толщиной в несколько десятков нанометров, тормозящая дальнейшее окисление.
Особый характер имеет взаимодействие АК с Os, на котором окисная пленка не
возникает. В этом случае образуется летучий окисел, который уносит атомы метал-
ла с поверхности.
На Al, Ni, Cr, Mo, W окисная пленка обладает достаточной плотностью, не рас-
трескивается и не отслаивается от металла. Она является барьером для диффузии
АК и эффективно защищает металл от разрушения.
В табл. 1.6.1 приведены значения объемного коэффициента эрозии R для неко-
торых металлов по данным, полученным на КА LDEF [9].
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
175
Таблица 1.6.1
Объемный коэффициент эрозии металлов
Металл Си Мо W Nb Та Ti Ag-диск Ag-фольга
R, 10-26 см3/атом О 0,87 0,14 0,04 0,14 0,6 0,39 2,9 27,5
Особый практический интерес представляет окисление орбитальным АК меди и
серебра, из которых выполняются проводники на поверхности солнечных батарей.
При экспозиции меди на низкой орбите наблюдается образование слоя Си2О, толщи-
на которого увеличивается от 10 до 50 нм по мере роста флюенса АК от Ю10 до
1022 см"2 [17]. Рост толщины окисной пленки до флюенсов порядка 1017 см"2 идет по
линейному закону, а затем по логарифмическому, т. е. замедляется. Аналогичный
характер носит процесс окисления серебра с преимущественным образованием AgO
[18, 19]. Исследования в лабораторных условиях на имитаторе АТОХ ESTEC [19]
при воздействии пучка АК с энергией 4-8 эВ показали, что для Ag на линейном уча-
стке скорость роста оксида составляет 12-10"26 см3/атом О, а затем снижается до
0,1-10"26 см3/атом О.
Окисные пленки, образующиеся на поверхности Ag, характеризуются боль-
шими внутренними напряжениями из-за различия параметров решеток металла и
оксидов. Объем оксида превышает объем образовавшего его Ag в 1,6 раза, что
вызывает значительные внутренние напряжения на границе металла и оксида.
При высоких флюенсах АК это приводит к отслаиванию оксида и отделению его
от поверхности (шелушению) [18, 19], что способствует уносу массы материала.
Вероятность отслаивания возрастает при приложении внешних механических и
термических нагрузок. Вследствие этого как в натурных, так и в имитационных
условиях наблюдается заметный эффект потери массы при взаимодействии Ag и
Си с АК, сопровождаемый загрязнением окружающего пространства частицами
оксидов.
Для Ag полученные в натурных экспериментах значения объемного коэффици-
ента эрозии колеблются в широких пределах ~(1-25)-10"26 см3/атом О. В этой связи
следует отметить, что различия структуры и величины внутренних напряжений в
образцах изменяют вероятность отслаивания оксида, что приводит к разбросу зна-
чений коэффициента эрозии. Это иллюстрируется данными табл. 1.6.1 для двух
различным образом изготовленных образцов Ag: монолитного мелкозернистого
диска и холодно-катанной фольги. Видно, что для фольги коэффициент эрозии на
порядок выше.
Влияние различия в способе изготовления образца на эффект отслаивания оксида
наблюдалось и в лабораторных экспериментах. При сравнении образцов Ag-фольги
и электрохимического тонкопленочного Ag-покрытия на Cu-подложке, экспони-
рованных на имитаторе НИИЯФ МГУ в потоке кислородной плазмы с эквивалент-
ным флюенсом АК 3-1021 см"2, получены значения коэффициента эрозии 0,6-10"26 и
10-10"26 см3/атом О соответственно [20]. Разная степень отслаивания иллюстриру-
ется рис. 1.6.3, где показаны микрофотографии поверхности образцов фольги и по-
крытия после воздействия потока кислородной плазмы.
176
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
а
б
Рис. 1.6.3. Поверхность образцов после воздействия потока АК (поле зрения
500x300 мкм): а - Ag-покрытие на Cu-подложке; б - Ag-фольга
В упомянутых выше наземных экспериментах на имитаторе АТОХ ESTEC [19]
для пленок Ag толщиной 160 и 320 нм также обнаружен эффект отслаивания оксида,
однако он не наблюдался в пленках меньшей толщины (60 нм). Исследователи объ-
ясняют это тем, что в толстых пленках сохраняются более высокие внутренние на-
пряжения, приводящие к разрушению сплошного слоя оксида.
Эрозия полимерных и углеродных материалов
Полимерные материалы используются на поверхности современных КА в виде
пленок терморегулирующих покрытий (ТРП) и слоев ЭВТИ, в виде волокон в нитях
и тканях чехлов и экранов, в качестве матрицы входят в состав композиционных ма-
териалов и ТРП, красок и клеев. Эластомерные прокладки являются уплотнительны-
ми элементами, обеспечивающими герметичность внутренних отсеков КА.
Углеродные волокна служат армирующим компонентом конструкционных угле-
пластиков, графиты используются в качестве пигментов черных терморегулирующих
покрытий и твердой смазки.
Эффект сильной эрозии полиимидной пленки «Кантон» и других полимеров был
обнаружен в полетах «Space Shuttle» и впервые интерпретирован Леже (Leger) [8] как
следствие бомбардировки поверхности набегающим потоком АК.
В дальнейшем были получены обширные данные по потерям массы материалов
данного класса под действием потока АК в натурных и лабораторных экспериментах.
Значения объемного коэффициента эрозии R для некоторых материалов, по-
лученные в натурных и лабораторных экспериментах, приведены в табл. 1.6.2
[8, 9, 18, 19,21-24].
Приведенные данные натурных экспериментов получены при небольших флю-
енсах АК (IO20-1021 см-2), соответствующих продолжительности полета на орбите
МКС менее года, и их значения могут изменяться с повышением флюенса во время
полета.
Лабораторные исследования показали, что для полиимида при значениях флюенса
АК, меньших 1017см“2, происходит захват бомбардирующих атомов кислорода по-
верхностью материала с образованием нелетучих промежуточных продуктов окисле-
ния [25], что ограничивает скорость уноса массы. С увеличением флюенса АК про-
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
177
Таблица 1.6.2
Объемный коэффициент эрозии полимерных и углеродных материалов
Материал R, 10 24 см3/атом О
натурные лабораторные
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ), майлар 3,2 4,5
Нейлон 4,2 -
Полипропилен 4,4 -
Полиэтилен 3,5 2,3-4,1
Полисульфон 2,1 -
Полисилоксан прирост массы -
Витон 160 -
Политетрафторэтилен (ПТФЭ), тефлон 0,1-0,37 0,06-3,8
Полиимид, «Каптон» 3,3 1,7-6
Полиуретан 5,8 -
Полиметилметакрилат (ПММА) 3,1 -
Поликарбонат 2,8 -
Полибензимидазол 1,5 -
Полистирол 1,4 -
Полиформальдегид (дельрин) - 9,5
Эпоксид 1,7 2,4
Тедлар 3,2 4,2
Графит 1,0 1,5
Алмаз 0,02 -
исходит ускорение эрозии, связанное с развитием шероховатости поверхности, что
приводит к более эффективному взаимодействию атомов кислорода с материалом
поверхности из-за возможности многократных соударений [31, 79]. Однако при бо-
лее высоких флюенсах, превышающих 1018см"2, в лабораторных условиях коэф-
фициент эрозии остается постоянным.
В длительных натурных экспериментах при высоких флюенсах АК (1,0-1023 см-2)
было зарегистрировано уменьшение толщины фторопластовых и полиимидных пле-
нок, приблизительно на порядок меньшее прогнозируемого на основании значений
коэффициента эрозии [26]. Подавление эрозии объясняется образованием на поверх-
ности пленки загрязнений из продуктов СВА.
Обширный объем данных об изменении толщины и массы полимерных материа-
лов при длительном пребывании на орбитах высотой 200 км получен в эксперимен-
тах, проведенных на ОС «Мир» [5, 6], где в течение 28 и 42 месяцев экспонировались
образцы пленок разных типов: сополимеры тетрафторэтилена с гексафторпро-
пиленом марок Ф4-МБ (Россия) и FEP-100A (США), полиимид марок ПМ-1Э (Рос-
178
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ^РЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Длительность экспозиции, годы
Рис. 1.6.4. Зависимость изменения толщины
полимерных пленок от продолжительности
экспозиции на борту ОС «Мир»:
1 - ПМ-1НЭ-ОА; 2 - «Кантон» 100HN;
3 - FEP-100А; 4 - ПМФТОР; 5 - ПМ-1Э
FEP-100A менее подвержен эрозии,
образцов практически не изменились,
АК в эрозии полимеров.
сия) и «Каптон» 100HN (США), односто-
ронне алюминированный полиимид марки
ПМ-1УЭ-ОА и фторированный полиимид
(ПМФТОР) (Россия) [26]. Часть образцов
была защищена кварцевыми стеклами, про-
пускающими УФ-излучение с длиной вол-
ны больше 200 нм, но задерживающими
АК, что дало возможность определить роль
указанных факторов в распылении мате-
риалов (подробнее об этих экспериментах
см. в разд. 5 настоящего тома). Наиболее
значительные изменения массы, толщины
и морфологии поверхности обнаружены
для незащищенных образцов, подвергших-
ся совместному воздействию АК и УФ. На
рис. 1.6.4 показаны зависимости толщины
незащищенных пленок от продолжитель-
ности экспозиции на борту ОС «Мир».
Видно, что фторированный полимер
чем полиимиды. Под фильтрами свойства
что свидетельствует о преобладающей роли
1.6.2. Изменение свойств материалов при воздействии атомарного кислорода
Изменение свойств металлов и неорганических соединений
Образование окисного слоя на поверх-
ности металлов ухудшает их электриче-
ские и оптические свойства, в частности,
может уменьшаться коэффициент отраже-
ния электромагнитной энергии. На
рис. 1.6.5 приведена зависимость инте-
грального коэффициента зеркального от-
ражения солнечного света от длительности
облучения кислородной плазмой, имити-
рующей натурные воздействия АК, для
отражателей из Ag и А1 без защитных по-
крытий и с покрытиями трех разных ти-
пов [27]. Видно, что для серебряного от-
ражателя без защитного покрытия коэф-
фициент отражения быстро снижается под
воздействием АК, а незащищенный алю-
миниевый образец сохраняет высокий ко-
эффициент отражения. Из числа исследо-
Рис. 1.6.5. Изменение интегрального
коэффициента зеркального отражения
солнечного света при облучении кислородной
плазмой для отражателей из Ag
с различными покрытиями и из Al: 1 - Ag;
2 - Al; 3 - SiO, + ПТФЭ; 4 - MgF2; 5 - ITO
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
179
ванных защитных покрытий наиболее высоким коэффициентом отражения обладает
покрытие SiO* + ПТФЭ, а наибольшей стабильностью в рассматриваемых пределах
воздействия обладают покрытия MgF2 и ITO (смесь оксидов олова и титана), но они
имеют более низкие коэффициенты отражения.
Для проводников из Ag и Си в солнечных батареях наблюдается ухудшение элек-
тропроводности за счет образования слоя окисла, имеющего низкую электропровод-
ность [19].
Неорганические соединения используются на КА в виде окислов и нитридов,
входящих в состав оптических стекол, стеклотканей, керамических изоляторов,
пигментов покрытий, в том числе терморегулирующих, в качестве защитных слоев
на металлах и полимерах. К этому классу материалов относятся дисульфиды
вольфрама и молибдена, используемые в качестве основы твердой смазки. Из кри-
сталлических материалов на основе германия, кремния и алюминия, их окислов,
фторидов, сульфидов, селенидов и теллуридов выполняются поверхности оптиче-
ских узлов.
Для твердых смазок на основе сульфидов вольфрама и молибдена в результа-
те воздействия АК наблюдается окисление поверхностного слоя толщиной поряд-
ка 10 нм, приводящее к его обогащению кислородом и обеднению серой. У таких
смазок окисление вызывает появление абразивных свойств [28, 12]. При исследо-
ваниях MoS2, проведенных на японском КА SFU и на имитационной установ-
ке [29], обнаружено увеличение коэффициента трения твердой смазки в результате
окисления.
Исследования влияния АК на покрытия оптических поверхностей проводилось в
эксперименте STS-41 [21]. Для сульфида цинка, используемого в качестве покрытия
оптических окон из германия для инфракрасного (ИК) диапазона, реакция АК с серой
приводит к незначительному увеличению диффузного отражения поверхности. На
поверхности зеркал из алюминия с оптическим покрытием MgF2 под действием АК
образуется слой оксида толщиной ~3 нм, практически не изменяющий коэффициент
отражения, что согласуется с данными, приведенными на рис. 1.6.5.
Эксперименты на КА LDEF показали отсутствие существенных изменений спект-
ров пропускания ИК окон и фильтров на основе кварца разных срезов, Ge, Si, А12О3,
фторидов, сульфидов, селенидов и теллуридов свинца. В то же время для окон и по-
крытий из более легких материалов на основе соединений цинка, CaF2, MgF2, CdTe,
TIBrI, TICIBr наблюдалось ухудшение прозрачности [30].
Оксиды и нитриды химически инертны по отношению к АК, поэтому их распы-
ление набегающим потоком пренебрежимо мало. Воздействие АК на нитриды бора и
кремния вызывает их поверхностную конверсию в пленку оксидов на глубину поряд-
ка 5 нм, препятствующую окислению нижележащих слоев.
Для пленок окислов кремния под действием АК происходит повышение их плот-
ности и уменьшение толщины за счет перехода окисла SiO в SiO2. При этом коэффи-
циент эрозии оценивается в (0,2-2)-10"28 см3/атом О [9].
Керамики на основе окислов Al, Be, Cr, Mg, Si, Ti обладают высокой стойко-
стью к АК благодаря термодинамической невыгодности дальнейшего окисления
составляющих их оксидов.
180
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Изменение свойств полимерных материалов
Эрозия полимеров при воздействии АК приводит также к изменению их физико-
химических свойств, определяемых поверхностным слоем.
Воздействие АК увеличивает шероховатость поверхности. При неизменной ори-
ентации материала относительно набегающего потока возникает характерная струк-
тура, напоминающая ковровый ворс. В зарубежной
литературе такая морфология поверхности носит
название (carpet-like). При имитационных испытани-
ях наблюдается аналогичная картина. Электронная
микрофотография поверхности полиимида после
экспозиции на КА LDEF [2] показана на рис. 1.6.6. По
данным [31, 79] возникновение такой структуры мо-
жет быть обусловлено образованием наночастиц гид-
рогенизированного алмазоподобного углерода.
Рис. 1.6.6. Поверхность
полиимида после экспозиции
на КА LDEF. Размер поля
зрения 6x5 мкм [2]
Возникновение упорядоченной структуры по-
верхности под действием АК приводит к появле-
нию анизотропии оптических свойств экспониро-
ванных полимерных пленок [5]. Этот эффект виден
на рис. 1.6.7, где показано изменение диаграммы яркости поверхностей пленок, экс-
понированных в уже упоминавшихся полетных экспериментах на ОС «Мир» открыто
и под защитой кварцевого стекла [5]. Видно, что под воздействием потока АК диа-
грамма из изотропной превращается в эллиптическую, вытянутую в направлении
вектора скорости.
Воздействие АК приводит к ухудшению механических свойств полимеров, кото-
рое наиболее заметно проявляется в тонких структурах, - таких, как, например, син-
тетические волокна. Прочность аримидной нити, образованной полиимидными
волокнами, снижается в несколько
Рис. 1.6.7. Диаграммы яркости
поверхностей защищенной (1) и
незащищенной (2) полиимидных
фторированных пленок после
натурной экспозиции
раз даже при незначительном уменьшении тол-
щины. В натурном эксперименте на ОС «Мир»
[5] аримидныс нити экспонировались 28 и
42 месяца на наружной поверхности без защи-
ты и под слоем полимерной пленки. После
возвращения образцов проводились их испы-
тания на разрыв, результаты которых приве-
дены в табл. 1.6.3. Толщина нитей указана в
единицах «текс», принятых в текстильной про-
мышленности (1 текс равен массе в 1 кг отрез-
ка нити длиной 1 000 м).
Видно, что механические характеристики
нитей, защищенных от воздействия АК, изме-
нились всего на 10-30° о. В то же время разрыв-
ная нагрузка незащищенных нитей уменьши-
лась в 3-6 раз, а удлинение при разрыве - в два
раза. Примечательно, что толщина нитей в обо-
их случаях сохранилась почти неизменной.
ГЛАВА 1 6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ II ЭЛЕМЕНТЫ...
181
Результаты испытаний аримидных нитей на разрыв
Таблица 1.6.3
Параметр Контрольные Под пленкой Без защиты
28 мес. 42 мес. 28 мес. 42 мес.
Толщина, тексхЗ 30,5 30,2 27,0 30,0 26,6
Относительная разрывная нагрузка, г/текс 45 43,2 40,0 15,1 6,8
Относительное удлинение при разрыве, % 13 11,9 10 6,7 6,5
Рис. 1.6.8. Изменение арнмидного шва в результате
воздействия АК: а - исходное состояние;
б - после воздействия
В другом полетном эксперименте, проведенном также на ОС «Мир» в течение
152 месяцев, было показано, что при экспонировании аримидных нитей в составе
швов матов ЭВТИ изменяется вид швов, а нити становятся распушенными за счет
разрушения наружных волокон [7].
Аналогичный эффект наблюдался в лабораторных экспериментах на установке
НИИЯФ МГУ при воздействии кислородной плазмы. Внешний вид швов до и после
имитационных испытаний с эквивалентным флюенсом АК 8-1021 см-2 приведен на
рис. 1.6.8.
Эффект снижения прочности обнаружен в специальном натурном эксперименте
«СТРАХОВКА» на ОС «Мир» с изделиями из материалов на основе аримидных
тканей, сшитых аримидными нитями [32]. Аримидные нити швов в результате
10-летней экспозиции при поте-
ре массы 15% разрывались без
приложения нагрузки при разде-
лении соединяемых ими фраг-
ментов У аримидной ткани по-
тери массы составили 17° о при
падении разрывной нагрузки в
2,2-2,3 раза, а относительного уд-
линения при разрыве - на 17-20%.
Для многослойных изделий, та-
ких, как шнуры, ремни, канаты,
такие изменения характерны для
наружных слоев волокон. За
счет экранирования внутренних
слоев внешними усредненные
изменения указанных выше па-
раметров для пятислойных из-
делий значительно меньше: 3%,
1,6 раза и 14,5% соответственно.
Изменение структуры аримид-
ной ткани после 10 лет экспози-
ции на ОС «Мир» иллюстриру-
ется рис. 1.6.9 [32].
Рис. 1.6.9. Изменение структуры аримидной ткани,
экспонированной па ОС «Мир»:
а - исходное состояние; б - после 10 лет экспозиции
182 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.6.3. Прогнозирование стойкости полимерных материалов к воздействию
атомарного кислорода
1.6.3.1. Изучение механизмов взаимодействия быстрого АК с полимерами
К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных по
воздействию АК на различные полимеры. Для понимания специфики механизмов
воздействия АК проводятся экспериментальные исследования на простых модельных
газообразных и жидких углеводородах [33, 34], а также разрабатываются численные
модели процессов [35-38]. Несмотря на значительное продвижение в исследовании
реакций, до настоящего времени не выработаны общепринятые представления о ме-
ханизме разрушения полимера быстрыми атомами кислорода.
По современной модели взаимодействие быстрого атома с поверхностью идет по
трем каналам. Часть атомов с вероятностью 0,1-0,5 проникает внутрь твердого тела и
химически взаимодействует с материалом, другая часть образует молекулы О2, поки-
дающие поверхность, а третья часть претерпевает неупругое рассеяние [38, 39]. По-
следние две компоненты не участвуют в реакциях уноса массы материала.
Рассматриваемые в настоящее время две основные схемы, по которым идет хими-
ческое взаимодействие полимера с быстрым АК [24], были упомянуты во Введении к
настоящей главе.
Первичное химическое взаимодействие атома кислорода с молекулами углеводо-
родов происходит по различным путям реакций:
• отрыв атома Н атомом О с образованием ОН и углеводородного радикала (эта
реакция имеет низкий энергетический порог и может идти при тепловых энер-
гиях атомов О);
• вытеснение атома Н атомом О;
• разрыв углеродных связей С-С.
Обе последние реакции имеют высокий энергетический порог (~2 эВ) и могут ид-
ти только при взаимодействии с быстрым АК. Для них суммарное сечение реакции
при энергии АК 5 эВ выше, чем сечение реакции образования ОН [38]. Таким обра-
зом, в дополнение к обычным для тепловых атомов реакциям отрыва атомов Н с об-
разованием ОН, а затем и Н2О, повышенная энергия атомов открывает дополнитель-
ные пути за счет реакций, обладающих более высокими энергетическими порогами.
Прямые измерения энергии активации Еа реакций, приводящих к потерям массы
материала, проведены для полиимида при различных энергиях АК. Для тепловых
атомов Еа = 0,13-0,3 эВ, для атомов с энергией 1,1-1,5 эВ получено значение
Еа = 0,04 эВ, а для атомов с энергией 5 эВ - Еа = 5-10-4 эВ [25]. Наблюдаемое сниже-
ние порога реакций для быстрых атомов указывает на их значительно большую реак-
ционную способность по сравнению с тепловыми.
Численное моделирование процессов взаимодействия АК с поверхностью позво-
ляет исследовать основные закономерности совместного протекания различных про-
цессов на поверхности углеродсодержащих материалов при воздействии атомов кис-
лорода с энергией 5 эВ. В работах [35-37] используется комплексная модель много-
частичного взаимодействия, включающая расчет траекторий движения частиц на
основе уравнений классической механики и квантово-механических потенциалов,
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
183
Таблица 1.6.4
Вероятность физико-химических процессов на поверхности углеводородных материалов
(при Т = 300 К и угле падения 0 = 45°)
Процессы взаимодействия Вероятность
Формирование хемосорбированного слоя 0,02
Неупругое рассеяние 0,34
Разрыв СН связей:
выход Н с образованием ОН 0,39
выход 2Н с образованием НгО 0,02
выход Н 0,20
выход 2Н 0,01
Разрыв С-С связей с образованием ОСН3 0,02
описывающих также взаимодействия электронных уровней сталкивающихся атомов.
Ввиду ограниченности экспериментальных данных для диапазона энергий 5-10 эВ,
используемых в модели, компьютерные расчеты реально могут быть выполнены
лишь в отдельных случаях.
В табл. 1.6.4 представлены расчетные данные о вероятностях формирования хе-
мосорбированного слоя, неупругого рассеяния атомов и разрыва химических свя-
зей материала, приводящих к последующей его деструкции [35, 36].
Результаты моделирования показывают, что при выбранных условиях (Г=300К
и 0 = 45°) хемосорбированный слой незначителен, а среди отраженных от поверхно-
сти частиц, кроме неупруго рассеянных атомов О (34%), содержатся как продукты
разрыва С-Н-связей: в значительном количестве ОН (39%), Н (20%), в менее замет-
ном количестве Н2О (20%), 2Н (1%); так и продукты разрыва С-С-связи полимера
ОСН3 (2%). Разрыв С-С связей и образование СО и СО2 определяет основной унос
массы для органических полимеров.
При столкновении с поверхностью атом взаимодействует с некоторым ее уча-
стком, эффективная масса которого обычно оценивается в 40 а. е. м. В результате
значительная часть кинетической энергии переходит к центру масс (3 эВ из 5 эВ),
что ограничивает остающийся энерговклад столкновения в саму реакцию до
2 эВ [37].
Эффективность разрушения полимеров потоком АК в значительной степени зави-
сит от энергии разрыва связей в полимерных цепях (см. табл. 1.6.5).
Таблица 1.6.5
Энергия и характеристическая длина волны разрыва полимерных связей
Вид связи С-Н cf2-f с=с с=о Si-0
Энергия связи, эВ 3,3-4,3 5,2 6 7,5 8,5
Характеристическая длина волны, мкм 0,28-0,36 0,23 0,2 0,15 0,14
184
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Фторированные полимеры, в частности политетрафторэтилен с прочными
C-F-связями и специфической конструкцией полимерной цепи, экранирующей
атомы С от непосредственного соприкосновения с воздействующими атомами ки-
слорода, обнаруживают устойчивость к воздействию АК: скорость их эрозии более
чем в 50 раз меньше, чем для полиимидов и полиэтиленов.
На современном этапе теоретические представления о механизмах разрушения
полимеров быстрым АК находятся в стадии разработки. В частности, нет единого
мнения об энергетической зависимости эффективности реакции АК с полимерами.
Часть исследователей считает энергетическую зависимость коэффициента эрозии
монотонно возрастающей степенной функцией вида R = 10-24АЕп. Параметры А и
п данной функции несколько отличаются у разных авторов: Zimcik [40] - А = 1,7;
п = 0,62; Colub [41] - А = 0,87; п = 0,92; Banks [42] - А = 1,5; и = 0,68; Tagawa [43] -
Л =0,98; /7 = 0,75; Krech - Л = 0,8; п = 2 [44]. Другая часть (Koontz, Arnold) [45]
считает, что имеется энергетический порог, после которого рост эрозии на некото-
ром интервале энергий прекращается и вновь возникает при достижении значений
энергии -35-40 эВ. При таких энергиях становится существенным механизм фи-
зического распыления, приводящий к росту коэффициента эрозии. Для мень-
ших энергий вклад физического распыления считается несущественным согласно
экспериментальным данным. Так, в работе [46] показано, что потери массы по-
лиимида при воздействии атомарных ионов кислорода с энергией 30 эВ на по-
рядок выше, чем при воздействии ионов неона той же энергии. При значениях
энергии ниже порога физического распыления предлагается зависимость вида
R = 10”24Л ехр(-£а/£) со следующими значениями параметров: Koontz - Л =4,26;
Еа = 0,38 эВ, Arnold - Л = 3,6; Еа = 0,18 эВ [44].
Следует отметить, что неоднозначность теоретических представлений о процес-
сах взаимодействия АК с полимерами в значительной степени обусловлена недоста-
точной степенью воспроизведения контролируемых условий взаимодействия на экс-
периментальных установках.
1.6.3.2. Феноменологические оценки коэффициентов эрозии полимеров
Наряду с разработкой теоретических представлений о механизмах реакции бы-
строго АК с полимерами развиваются феноменологические методы оценки стой-
кости материалов.
На основании анализа натурных данных об уносе массы полимерных пле-
нок [47, 48] установлено, что существует линейная корреляция между коэффици-
ентом эрозии R и специальным параметром у, характеризующим элементный состав
полимерной молекулы:
R - уМ/ р, у = N/(NC - Асо), (1.6.1)
где N - количество всех атомов в единичном повторяющемся полимерном звене
(ППЗ); Nc - количество атомов углерода в ППЗ; NCo - количество атомов С, которое
может быть извлечено из ППЗ внутримолекулярными атомами кислорода в виде СО
либо СО2; М- средний молекулярный вес ППЗ; р - плотность полимера.
ГЛАВА 1.6 ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...185
Для линейных фторсодержащих поли-
мерных цепочек в эту формулу введен «фак-
тор экранирования» [48], учитывающий по-
вышенную устойчивость фторированных
углеводородов к окислению:
2NF + Nf
1—-—L,
2Nf2 +NP
где NF - число атомов фтора в -CF2-rpynnax
в ППЗ; Ар - число других, единичных, ато-
мов фтора в ППЗ; NP - сумма чисел всех
единичных F, всех Н и всех С атомов в ППЗ
полимера.
На рис. 1.6.10 представлена расчет-
ная зависимость [48] (сплошная линия) для
40 полимеров (значки), испытанных в на-
турном эксперименте MISSE PEACE [16] и
Рис. 1.6.10. Сопоставление расчетных
(прямая) и экспериментальных (точки)
значений коэффициента эрозии R
на различных имитаторах. Рисунок
демонстрирует хорошее согласие результатов предложенного прогноза значе-
ний коэффициента эрозии с экспериментальными данными. Максимальные от-
клонения расчетной зависимости от экспериментальных значений не превыша-
ют 20%.
Удовлетворительный прогноз коэффициента эрозии дает и другой способ, осно-
ванный на использовании стандартной (США) характеристики полимера - кислород-
ного индекса 01, который означает способность материала к возгоранию. Согласно
этому способу оценки устойчивость полимера к воздействию АК обратно пропор-
циональна его возгораемости R = 10”24 см”3/(О1) [48].
L6.3.3. Расчетные оценки вероятностей химических реакций с образованием
летучих продуктов
Измеренные в космических экспериментах величины реакционной эффектив-
ности (коэффициента эрозии) R обычно с точностью до множителя 1,5-2 согла-
суются с результатами наземных испытаний, полученными при бомбардировке
полимерных материалов АК с энергией 1-5 эВ. Такое согласие следует считать
приемлемым, учитывая усредненный характер величин R и возможное влияние на
них различных условий эксперимента - температуры, интенсивности и флюенса
АК, светового излучения Солнца или источника быстрого АК в лабораторной
установке и других факторов. Поскольку кинетика потерь массы полимеров под
действием АК в общем случае имеет нелинейный характер [25, 39], описание
уноса массы одним параметром является приближенным. Однако точность при-
ближения возрастает с ростом флюенса АК по мере линеаризации кинетических
кривых.
В предыдущем разделе рассмотрены методы оценки R, основанные на корреля-
ции этой величины с некоторыми характеристиками материалов. Найденные кор-
186
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
реляции в рассмотренном выше методе являются чисто эмпирическими и не дают
представления о вероятности реакции АК с материалом при однократном столкно-
вении. Эта величина важна для оценки в целом процессов взаимодействия быстрых
АК с поверхностью КА.
Ниже проведены расчет и сравнение эффективностей эрозии (травления) различ-
ных полимерных материалов, состоящих из С, Н, О, N, на основе имеющихся в лите-
ратуре экспериментальных данных с использованием сформулированных ранее [39]
представлений о кинетике и механизме процесса травления. Определены вероятности
химических реакций окисления различных полимеров. Некоторые результаты были
частично опубликованы ранее [39, 49, 24, 50].
Таблица 1.6.6
Эффективности травления органических полимеров и графита при экспонировании
в условиях околоземного космического пространства (по данным работ [9, 22, 23])
Полимер ППЗ Коэффициенты, 10 24 см3/атом Отношение R/R\
R Я1(СО) *1(СО2) Я/Я, (СО) Я/Я,(СО2)
Кантон (полиимид) C22H10O5N2 3,0 18,7 9,7 0,16 0,31
3,3 0,176 0,34
Майлар (ПЭТФ) СюН804 3,2 22,9 11,45 0,14 0,28
Лексан (поликарбонат) С1бН1бОз 2,8 3,8 16,9 9,6 0,17 0,22 0,29 0,40
Полисульфон C27H22O4S 2,2 16,4 9,4 0,134 0,23
Тедлар (ПВФ) C2H3F 3,2 15,8 12,2 0,20 0,26
Полибензимидазол c14h8n4 1,5 13,1 8,2 0,11 0,18
Полистирол с8н8 1,4 13,7 8,6 0,10 0,16
Эпоксид С10Н10О2 1,7 17,3 9,74 0,098 0,175
2,1-2,6 0,12-0,15 0,22-0,27
Полиэтилен с2н4 3,5 12,3 8,2 0,28 0,43
Полипропилен СзН6 4,4 12,3 8,2 0,35 0,540
ПММА С5н8о2 3,1 27,7 18,46 0,11 0,168
4,8*1) 0,174* 0,26*
Полиуретан С15Н120зП2 5,8 20,1 11,3 0,29 0,514
Найлон C9HhON 4,2 14,8 9,55 0,284 0,44
Полиэфиркетон С19Н12О3 4,3 18,12 9,72 0,24 0,44
Полиформальдегид СН2О 9,5** 34,9** 17,5** 0,272** 0,544**
Углерод С 1,0 11,0 5,5 0,09 0,18
2,3* 0,187* 0,280*
° Данные, отмеченные знаком *, взяты из работы [9], данные со знаком ** - из [23]. Остальные данные
взяты из работы[22].
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
187
В табл. 1.6.6 для ряда полимеров указаны состав ППЗ и значения коэффициента
R, которые ранее приводились в табл. 1.6.2 [9], а также величины А^СО) и T?i(CO2),
вычисленные в двух предположениях: образования при травлении полимера только
СО или СО2. Дело в том, что соотношение выходов образования СО и СО2 неиз-
вестно, за исключением «Каптона» (см. ниже). Поэтому расчеты проведены в двух
предельных случаях, когда постулировано образование только СО и только СО2.
Истинная величина лежит в промежутке между результатами расчетов для пре-
дельных случаев. Приведены также отношения экспериментальных величин R к
теоретическим величинам 7?i(CO) и T?i(CO2).
Расчет величин 7?i(CO) и T?i(CO2) производился на основе стехиометрических
уравнений для окисления полимеров АК при следующих предположениях:
• все атомы кислорода, поступающие на поверхность полимера, вступают с ним
в химическую реакцию с образованием оксидов СО и (или) СО2, Н2О, NO, т. е.
процессы обратного рассеяния атомов, их рекомбинация и другие реакции об-
разования О2 (например, при взаимодействии с атомами кислорода в составе
полимера) считаются отсутствующими;
• коэффициент прилипания атомов кислорода к поверхности полимера равен
единице;
• единственными продуктами окисления являются простые оксиды, более тяже-
лые продукты (летучие спирты, эфиры и т. п.) не образуются.
Введение этих предположений связано с отсутствием детальных сведений о меха-
низме травления полимеров быстрыми атомами кислорода. Масс-спектрометриче-
ский анализ газовых продуктов травления не обнаруживает более сложных продук-
тов. Расчетные формулы имеют следующий вид:
/?i(CO) = A//(C7Vp), (1.6.2)
Т?1(СО2) = М/(^р), (1.6.3)
где М - молекулярная масса ППЗ, [г/моль]; N - число Авогадро, [атом/моль]; р -
плотность полимера, [г/см3]; С и В - стехиометрические коэффициенты в брутто-
уравнениях окисления. Например, для окисления «Каптона» С = 24 и В = 46:
C22H10O5N2 + 24 О -> 22 СО + 5 Н2О + 2 NO,
C22H10O5N2 + 46 О -> 22 СО2 + 5 Н2О + 2 NO.
Из табл. 1.6.6 видно, что для всех полимеров и для графита величины отношений
R/7?1(СО) варьируют в пределах 0,1 (полистирол) - 0,35 (полипропилен), а величины
отношений R/Ri(CO2) - от 0,16 до 0,54.
Рассмотрение этих данных показывает, что бомбардировка быстрыми (5 эВ)
атомами АК органических полимеров сопровождается их окислением с вероятно-
стью от 0,1 до 0,5. Это означает, что главные каналы расходования АК связаны не
с образованием оксидов, а с рассеянием атомов на поверхности (коэффициент
прилипания меньше единицы) и с реакциями образования молекулярного кисло-
рода в процессах рекомбинации или в реакциях с кислородом, входящим в состав
полимера, причем возникающий молекулярный кислород десорбируется с по-
верхности в газовую фазу, не вступая в дальнейшие реакции с полимером.
188
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Полученные отношения 7?/7?i(CO) и 7?/7?i(CO2) могут быть использованы для
приближенных оценок величин R для органических полимеров, для которых эти ве-
личины не были измерены. Для таких полимеров по формулам (1.6.2) и (1.6.3) мож-
но вычислить величины 7?i(CO) и 7? 1(66)2) и далее, умножив их соответственно на
0,1-0,35 или 0,15-0,5, получить приближенную оценку R.
Таким образом, при бомбардировке поверхностей органических полимеров ато-
мами кислорода с энергией 5 эВ эффективности уноса массы одним атомом кисло-
рода составляют 10-35% и 15-54% от эффективностей, вычисленных на основе
стехиометрических уравнений для полного окисления этих полимеров с образова-
нием только СО и только СО2 соответственно наряду с Н2О и NO (в случае азотсо-
держащих полимеров). Этот вывод может быть использован для приближенных
оценок эффективностей травления других полимеров на основе их химического
строения.
Приведем вывод формулы для вычисления величины коэффициента А, входя-
щего в формулу для расчета R в общем виде, т. е. в случаях, когда отношение а
выходов СО и СО2 при травлении известно из эксперимента:
R = M/(ANp). (1.6.4)
Расчет проводится для реакции травления углеводородного полимера, элемен-
тарный состав которого может быть представлен в форме СаН/>ОсН/. Тогда
М= 12л+ 6+ 16с + 14с7.
Обобщенную реакцию окисления полимера запишем в виде:
СДШЧ/ + А О —> хСО +уСО2 + wH2O + zNO.
По определению а = х/у.
Составим систему стехиометрических уравнений:
а = х + у
b = 2w
с + А = х + 2у + w+z
d = z
Из этой системы определяется коэффициент А:
A = a(2 + a)l(\+a) + bl2 + d-c.
Формула (1.6.4) является общей расчетной формулой. Другие упоминаемые рас-
четные формулы следуют их нее как частные случаи:
• формула (1.6.2) - при а = 00, С = А\
• формула (1.6.3) - при а = 0, В = А.
Если рассматривать окислительные реакции с участием только углерода, даю-
щие основной вклад в унос массы полимера, как это предполагается в выражении
(1.6.1), то расчетная формула (1.6.4) сведется к выражению (1.6.1) в частном случае
b = 0, d = 0, а = оо.
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
189
В случае полиимида коэффициенты равны: (7 = 22, 6=10, с = 5, t/ = 2, Л/=382,
А = 35, R = 13-Ю'24 см3/атом О.
Как упоминалось ранее, отсутствие данных о соотношении выходов окислов не
позволяет получить более точные оценки вероятностей реакции. Известны лишь дан-
ные [23], полученные в натурных условиях, показавшие равные выходы СО и СОз
(а= 1). Это позволяет уточнить искомую вероятность для «Каптона» и показывает,
что она находится в диапазоне 0,23-0,25 [24], т. е между величинами 0,16-0,17 и
0,31-0,34, соответствующими указанным выше крайним случаям. Следовательно,
при R = 13-Ю"24 см3/атом О получим оценку R = 3,1-10"24 см3/атом О.
Здесь мы не касались применения данного подхода к фторсодержащим поли-
мерам, поскольку отсутствуют данные о газообразных продуктах их реакций с
АК. Отметим отсутствие методов расчета уноса массы в случае полимеров, со-
держащих элементы, которые дают при окислении нелетучие оксиды, например,
кремний. При их взаимодействии с АК на поверхности формируется пленка ок-
сида SiOx (х < 2), после чего унос массы прекращается. Для таких полимеров само
понятие реакционной эффективности неприменимо, так как при его формальном
применении R оказывается зависящим от флюенса АК, стремясь при его росте к
нулю.
Таким образом, имеющиеся расчетные методы позволяют оценивать реакционные
эффективности полимеров, образующих летучие оксиды С, Н и N. Точность оценок
соответствует фактору 1,5-2. Напомним, что экспериментально измеренные величи-
ны для разных полимеров варьируют в широких пределах (1-9,5)-10-24 см3/атом О.
Для проведения оценок необходимо знание только элементного состава материала.
Точность может быть повышена для полимеров с известным отношением выходов
продуктов окисления углерода.
Следует отметить, что результаты расчетов для полимеров, содержащих серу
(полисульфон) и фтор (поливинилфторид «Тедлар»), согласуются с результатами
для полимеров, содержащих только С, Н и N. Это указывает на возможность рас-
ширения предложенного подхода на по-
лимеры этого типа.
При прогнозировании стойкости поли-
мерных материалов в реальных условиях
космического полета следует учитывать,
что загрязнения поверхности конденси-
рующимися компонентами СВА препят-
ствуют контакту материала с АК, что из-
меняет коэффициент эрозии. В частности,
загрязнения могут оказывать защитное
действие. Эффект уменьшения скорости
эрозии при увеличении продолжительно-
сти полета иллюстрируется рис. 1.6.11, где
представлены результаты измерения поте-
ри массы углепластика КМУ-4Л на борту
ОС «Салют-6» [4].
Длительность экспозиции, сутки
Рис. 1.6.11. Зависимость удельных потерь
массы углепластика КМУ-4Л
от продолжительности полета
190 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.6.4. Методы защиты материалов от воздействия атомарного кислорода
В связи с увеличением длительности эксплуатации КА активно развиваются
физико-химические способы и технологии защиты полимерных и композиционных
материалов от повреждающего воздействия АК. Ведутся также работы по синтезу и
исследованию материалов, устойчивых к АК.
Защита металлических оптических отражателей от окисления осуществляется
тонкопленочными покрытиями оксидов Al, Si, смесью оксидов In и Sn (так назы-
ваемое ITO - электропроводное покрытие), фторида Mg, а также алмазной пленкой.
Данные о параметрах некоторых защитных покрытий были приведены выше на
рис. 1.6.6 [27]. Натурные испытания в эксперименте STS-41 алмазных покрытий
толщиной 4 нм показали отсутствие изменений их оптических свойств при воздей-
ствии АК с флюенсом ~1О20 см-2, что позволяет считать алмазные покрытия наибо-
лее инертными к АК из углеродных материалов [21].
Для защиты серебряных полосковых проводников солнечных батарей исполь-
зуются слои оксидов А1 и Si, нитридов В и Si. Испытания таких покрытий как в
натурных условиях (STS-41), так и на имитационной установке показали отсутст-
вие окисления защищаемого слоя Ag при флюенсах 1О20 см-2 [21].
Простейшим способом защиты элементов на поверхности является применение
наружного слоя плотной стеклоткани (так называемой Р-ткани) [28]. Испытания про-
ницаемости такой защиты показали, что на поверхности серебряной фольги под ее
слоем после воздействия АК появляется видимое изображение структуры ткани [21],
Количественно выход реакции ниже предела обнаружения, что позволяет считать
степень такой защиты удовлетворительной при не очень высоких флюенсах АК.
При увеличении продолжительности полета степень защиты стеклотканью оказы-
вается недостаточной. При экспозиции сроком 152 месяца на ОС «Мир» панелей
ЭВТИ с защитой слоем стеклоткани марки ТСОН следы воздействия были обнару-
жены на трех наружных слоях пленки [7]. На первом слое из полиимидной пленки
ПМ-1УЭ-ОА наблюдались следы травления, повторяющие структуру ткани. Внеш-
ний вид полиимидной пленки первого слоя ЭВТИ до и после экспозиции показан на
рис. 1.6.12. Сама ткань при экспозиции приобретает светло-коричневую окраску, и ее
интегральный коэффициент поглощения ЭМИС As возрастает с 0,53 до 0,6. Другим
недостатком этого способа для большой площади защиты является относительно вы-
сокая удельная масса ткани.
Рис. 1.6.12. Внешний вид полиимидной пленки первого слоя ЭВТИ до и после экспозиции
на ОС «МИР»: а - исходный, As= 0,27; б - через 4640 дней, As = 0,66
б
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
191
Защита полимерных материалов проводится по двум направлениям: нанесением,
как и в случае металлов, стойких к АК тонкопленочных покрытий и путем модифи-
кации материала или его поверхностного слоя для придания ему устойчивости к
внешним воздействиям. В последнем случае за счет введения в приповерхностный
слой некоторых химических элементов материал приобретает способность под дей-
ствием АК образовывать защитную пленку из нелетучих окислов на поверхности.
Аналогичный эффект лежит в основе применения и некоторых защитных покрытий,
например, кремнийорганических лаков.
Используются следующие основные методы формирования тонкопленочных за-
щитных покрытий [51]:
• физическое осаждение паров в вакууме (PVD) Al, Si, Ge, Ni, Cr, SiOx, A12O3,
SiO2, ITO, фторполимер + SiOx с использованием термического испарения,
электронных пучков, магнетронного и ионного напыления;
• плазмохимическое осаждение паров (PECVD) SiOx, SiO2, SiN, SiON;
• плазменное напыление Al, Al / In/Zr.
В некоторых случаях защитный слой наносится по технологии лакокрасочных
покрытий.
Высокую стойкость показывают покрытия на основе кремния. При взаимодей-
ствии с АК в материале покрытия образуется оксид кремния, из которого формиру-
ется защитная пленка, препятствующая диффузии АК к поверхности защищаемого
материала. При этом эффективность реакции снижается обычно более чем на два
порядка [51].
Эффективность различных защитных покрытий на основе кремния иллюстри-
руется рис. 1.6.13, на котором приведены зависимости потерь массы образцов
полиимидной пленки, покрытых SiO2 и силиконовыми лаками двух марок, в зави-
симости от флюенса АК, полученные на имитационном стенде НИИЯФ МГУ. Бла-
годаря использованию защитных покры-
тий скорость эрозии пленки снижается в
200-800 раз [52].
Недостатком тонкопленочных покрытий
является их низкая надежность. Из-за ма-
лой толщины они легко повреждаются при
производстве и эксплуатации, а из-за рез-
кого отличия их свойств от свойств под-
ложки наблюдается образование трещин и
отслаивание при термоциклировании. На
рис. 1.6.14 показаны фрагменты полиимид-
ной пленки с покрытием SiO2 после испы-
таний на плазменной установке НИИЯФ
МГУ при эквивалентном флюенсе АК
2,2-1021 см-2. Наблюдается сквозное травле-
ние пленки под точечным дефектом (а) и
возникновение трещин (б) на границе экс-
понированной части (темная половина изо-
бражения) с необлученной зоной.
Эквивалентный флюенс, Ю20 см‘
Рис. 1.6.13. Зависимости потерь массы
образцов полиимидной пленки с
различными защитными покрытиями
от флюенса АК: 1 - силикон 3;
2 - силикон 5; 3 - SiO2
192
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.6.14. Возникновение дефектов покрытия SiO2 под действием АК: а - точечный
дефект покрытия (размер поля 350 мкм); б - трещины на границе
облученной зоны (размер поля 750 мкм)
Модификация поверхностного слоя полимера осуществляется путем импланта-
ции ионов А1, В с энергией 10—30 кэВ или путем химического насыщения атомами
Si, Р или F на глубину в несколько микрометров [53, 54].
При первом способе, одна из разновидностей которого называется IMPLAN-
TOX [53], в полимерах и графите создается обогащенный указанными элементами
слой толщиной 10—50 нм. При имплантации атомов Si эффективность защиты соста-
вила —100, а при имплантации F - около 2. Рис. 1.6.15 показывает увеличение стойко-
сти образца майларовой пленки к имитационному воздействию АК и УФ излучения
(имитатор UTIAS, Канада [53]) после ее модификации путем ионной имплантации
Al + Si (кривая 3) и Al + Si + В (кривая 2) по сравнению с немодифицированным об-
разцом (кривая 1). Видно, что для имитационного времени t = 5 ч, соответствующего
пребыванию образцов на внешней поверхности МКС в течение примерно одного ме-
сяца, величина уноса массы для модифицированных образцов падает более чем на
два порядка. Для «Каптона» HN получено
Рис. 1.6.15. Зависимость потерь массы от
времени экспозиции для исходного (1) и
модифицированных (2, 3) образцов
майларовой пленки
еще большее увеличение стойкости к воз-
действию (почти на три порядка) за счет
имплантации тех же элементов.
Примером второго способа является
процесс PHOTOSIL [54]. В этом способе
кремнийсодержащие химические группы
вводятся в слой полимерной структуры
на глубину до 1 мкм. Процесс состоит из
трех стадий: фотоактивации поверхности
УФ-излучением, насыщения приповерх-
ностного слоя кремнием путем нанесения
кремнийсодержащей жидкости на поверх-
ность полимера, стабилизации слоя под
действием УФ-излучсния. Процесс исполь-
зован для модификации целого ряда ма-
териалов КА: полиимида, полиамида, по-
ливинилхлорида, полиэтилентерефталата,
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
193
полиэтилена, углепластика, полиуретановых красок. После модификации коэффици-
ент эрозии при действии АК снижался до 10~26 г/атом О, т. е. на два порядка.
Синтез новых полимерных материалов направлен на включение в их структуру
химических элементов (Si, Р), способных при реакции с АК образовывать защитный
слой твердых соединений.
Перспективным направлением является создание гибридных материалов на
основе полимеров с введением в полимерные цепи неорганических нанообразова-
ний. Разработаны так называемые POSS-полимеры (polyhedral olygomeric silsesqui-
охапе), в структуру которых встроены неорганические многогранные молекулы
размером 0,7—3 нм, содержащие атомы Si и О (сополимер полиариленэтербензиме-
дазол-фосфинооксида) [55]. В процессе эрозии полимера под воздействием АК
наночастицы постепенно обнажаются и покрывают поверхность, что приводит к уве-
личению стойкости такого нанокомпозита. Коэффициент эрозии такого материала
составляет (1-3)-10“25 см3/атом О, что более чем на порядок ниже по сравнению с
«Кантоном» [56].
1.6.5. Лабораторные методы исследования распыления материалов потоком
атомарного кислорода
1.6.5.1. Требования к условиям лабораторных испытаний и основные типы
источников АК
При моделировании воздействия набегающего потока АК на материалы КА жела-
тельно проведение ускоренных испытаний за счет повышения интенсивности потока
по сравнению с натурными условиями. При этом, как показано в [57], существуют
пределы увеличения интенсивности, обусловленные изменением механизма взаимо-
действия быстрых частиц с поверхностью и зависящие от типа материалов. Возмож-
ным путем ускорения испытаний может быть увеличение энергии частиц пучка в
пределах сохранения механизма их взаимодействия с испытываемым материалом.
В натурных и имитационных экспериментах флюенс АК принято измерять по ве-
личине потери массы эталонного материала. При таком способе измерения флюенса
АК в экспериментах определяются не абсолютные значения коэффициента эрозии R
материалов, а их отношения к значению R для выбранного эталонного материала. В
соответствии со стандартом США ASTM [58] в качестве эталонного материала ис-
пользуется полиимид («Кантон»). В настоящее время каптоновый эквивалент широко
используется в мировой практике при оценке воздействия АК на материалы. Для по-
лиимида принято значение R = 3-10”24 см3/атом О, определенное в эксперименте
STS-8 на космическом корабле «Space Shuttle» с использованием для измерения флю-
енса АК бортового масс-спектрометра.
В ЦАГИ разработана методика измерения абсолютного флюенса АК путем
исследования моментов функции распределения частиц в потоке [59].
При ускоренных испытаниях материалов часто используются пучки АК с энер-
гией, отличной от 5 эВ. В таких экспериментах в качестве количественной меры воз-
действия используется понятие так называемого эквивалентного флюенса, под кото-
194
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
рым понимают флюенс потока АК с энергией 5 эВ, который обеспечивает те же по-
тери массы полиимидного образца-свидетеля.
Метод ускоренных испытаний при повышенной энергии АК используется в иссле-
дованиях NASA на СВЧ-источнике с электронно-циклотронным резонансным (ЭЦР)
разрядом при энергиях атомов кислорода до 30 эВ [60] и в НИИЯФ МГУ [61] при ис-
пользовании магнитоплазмодинамического ускорителя кислородной плазмы. Этим
методом при имитации длительного воздействия орбитального АК достигнуты макси-
мальные эквивалентные флюенсы АК до 2,1-1022 и до 3,5-1022 см-2 соответственно.
В лабораторных условиях имитацию воздействия АК осуществляют методами
молекулярных пучков (общепринятое обобщенное название направленных свобод-
номолекулярных потоков атомов, молекул, кластеров), а также ионных и плазменных
потоков [62].
В настоящее время высокоскоростные молекулярные пучки с энергией выше 1 эВ
могут быть получены газодинамическими и электрофизическими методами. Наибо-
Таблица \.6.1
Характеристики имитационных установок
Название, разработчик Тип / режим / принцип действия Энергия О, эВ Плотность потока АК, непр./имп., см"2-с_| Состав потока, % Лит. ист.
UTIAS, Канада газодинамический, непрерывный, СВЧ 1-3 ю16 Не/О2/О 97/1/2 66
ЦАГИ, Россия газодинамический, непрерывный, ВЧ 1-5 ю16 Не/О2/О 90/7/3 59
LANL, США газодинамический, непрерывный, лазерный 1-3 ю16 Аг/О2/О 90/7/3 21
PSI, США газодинамический, импульсный, лазерный 1-16 51015/10” 02/0 10/90 44, 67
SORQ NRC, Израиль электрофизический, непрерывный, ионный 30-50 10'4 О 100 46
Osaka Univ, Япония электрофизический, непрерывный, ионный с перезарядкой 5-50 10*’ О 100 43
НИИЯФ МГУ, Россия электрофизический, непрерывный, плазменный с перезарядкой 5-80 1016 02/0 15/80 70,71
МФТИ, Россия газодинамический, импульсный, искровой 1-5 5-10,5/10 18 О2/О 2/98 62
NASA LRC, США электрофизический, непрерывный, плазменный с перезарядкой 20 51015 О2/О 60
Шанхайский университет, Китай электрофизический, импульсный, плазменный с перезарядкой 6-20 2-Ю16 02/0 64
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
195
лее широко используются газодинамические методы. В этих методах нагретый газ
под давлением через сопло расширяется в вакуум в виде сверхзвуковой струи, из
приосевой части которой формируется молекулярный пучок. Для нагрева использу-
ются различные формы разряда в кислородсодержащем газе в области сопла.
К электрофизическим методам относятся методы, основанные на ускорении в
электромагнитных полях газа в ионизованном состоянии с последующей нейтрализа-
цией ионов в атомы, молекулы, из которых и образуется высокоскоростной пучок. В
противоположность газодинамическому принципу, для этих методов отсутствуют
жесткие ограничения максимальной скорости частиц. Наоборот, сложность заключа-
ется в получении пучков с низкой скоростью.
Наиболее широкое распространение получил способ получения молекулярного
пучка путем перезарядки положительных ионов и вывода заряженных частиц из
потока. Современный уровень техники ионных источников позволяет получать
пучки низкоэнерготичных (~10 эВ) ионов и атомов кислорода с достаточно низкой
интенсивностью (не более 1012 см-2’С-1), величина которого ограничена эффектом
объемного заряда ионов. Повышение концентрации ионов малых энергий воз-
можно при использовании ускоренных потоков плазмы, в которых объемный за-
ряд ионов компенсируется зарядом электронов. Этот принцип использован в ими-
тационных стендах НИИЯФ МГУ (Россия) и NASA Levis Research Center (LRC)
(США) [60].
Основные характеристики некоторых имитационных установок, эксплуатируемых
в исследовательских центрах разных стран, приведены в табл. 1.6.7. [63, 64].
1.6.5.2. Некоторые современные имитационные стенды
Газодинамические источники
Вакуумная аэродинамическая труба ВАТАМ ЦАГИс ВЧ-подогревом бинарной смеси
В ЦАГИ для исследования воздействия АК на материалы используется вакуум-
ная аэродинамическая труба ВАТ-103 с ВЧ-подогревом бинарной смеси. Действие
источника основано на принципе газодинамического ускорения тяжелой компонен-
ты легким газом-носителем нагретой бинарной смеси.
Схема трубы приведена на рис. 1.6.16. Смесь 1 газов О2 (2) и Не (3) нагревается в
ВЧ-плазматроне 4, возбуждаемом индуктором 5 по фидеру 6 (13,5 МГц, 25 кВт). При
расширении в вакуум через сопло 7 создается сверхзвуковая струя 8 разреженного
диссоциированного газа, в которой исходная тепловая энергия молекул и атомов
преобразована в энергию поступательного движения. С помощью конического ским-
мера 9 из приосевой части струи формируется молекулярный пучок 10, поступающий
на образец 11. Конечные достижимые энергии АК определяются температурой газа и
концентрацией тяжелой компоненты в носителе. Использование ВЧ-подогрева газа
при соотношении кислород/гелий 5:95 позволяет достигнуть уровня поступатель-
ной энергии атомов кислорода 4 эВ при степени диссоциации потока 65% [59].
Интенсивность потока АК достигает 1016 см"2-с-1. Сопутствующее вакуумное УФ
(ВУФ) излучение имеет интенсивность 1015 фотонов-см"2-с-1 [65]. Интенсивность и
196
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.6.16. Схема газодинамической трубы ЦАГИ с
ВЧ-подогревом: 1 - подача бинарной смеси газов; 2 - подача
кислорода; 3 - подача гелия; 4 - камера индукционного
разряда; 5 - ВЧ-индуктор; 6 - фидер подачи ВЧ-энергии;
7 - сопло; 8 - сверхзвуковая струя бинарного газа;
9 - скиммер; 10 - гиперзвуковой молекулярный пучок
гелия и АК; 11 - образец материала
среднемассовая скорость потока измеряются по величинам удельного импульса pv2 и
газового потока pv. Аппаратура состоит из трехкоординатных весов чувствительно-
стью 10 мкг и датчика давления со сферическим насадком. В состав стенда входит
излучатель ВУФ длиной волны 147 нм на основе Хе лампы с окном из MgF2.
Источник с SURFATRON СВЧ-плазмотроном
Источник SURFATRON разработан в Институте аэрокосмических исследований
университета Торонто в Канаде (UTIAS). Принципиальная схема этого источника
аналогична схеме, показанной на рис. 1.6.16. Отличие заключается в способе созда-
ния газового разряда. В данном источнике используется плазмотрон с СВЧ-возбуж-
дением [66]. За счет СВЧ-энергии мощностью 200 Вт на частоте 2450 МГц возбуж-
дается безэлектродный разряд. В результате образуется цилиндрический столб плаз-
мы, по которому распространяется поверхностная СВЧ-волна, что и определило
название источника. Источник формирует поток АК плотностью Ю^см^-с"1 с энер-
гией до 2,2 эВ. Исследуемые образцы устанавливаются в вакуумной камере диамет-
ром 25 см из стекла, в которой поддерживается давление ~1(Г3 Па.
Диагностика пучка осуществляется масс-спектрометром и времяпролетной систе-
мой с механическим прерывателем пучка. Измеряемыми параметрами являются:
плотность потока АК, энергия атомов, средняя молекулярная масса, степень диссо-
циации.
Ударная труба с лазерным подогревом
Источник этого типа создан фирмой Physical Science Inc. (США) [44, 67] и полу-
чил наибольшее распространение в зарубежных лабораториях. Схема источника
приведена на рис. 1.6.17. Коническое сопло 1 заполняется через импульсный кла-
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
197
пан 2 чистым кислородом 3, после чего в нем под воздействием импульса сфоку-
сированного линзой 4 излучения лазера 5 возбуждается импульсный оптический
разряд 6, в котором образуется плазма АК. Распространяясь в сопле, плазменный
импульс на своем фронте производит диссоциацию молекулярного кислорода.
В результате формируется импульсный поток (50 мкс) атомарного газа 7, тепло-
вая энергия которого при расширении в сопле преобразуется в поступательную.
Вследствие охлаждения температура атомов составляет 300 К. При этом благода-
ря ион-электронной рекомбинации концентрация ионов снижается до 1%. Плот-
ность потока АК на поверхности образца 8 регулируется изменением расстояния
от сопла.
В результате из сопла выходят импульсы быстрых атомов кислорода с флюен-
сом 1018 атом/импульс при частоте повторения 3 Гц, что соответствует средней ин-
тенсивности потока 3-1015 см’2-сч на площади 1000 см2. Скорость атомов может
регулироваться в пределах 5—12 км/с изменением задержки лазерного импульса.
Степень диссоциации потока составляет 80%, степень ионизации 1%. Импульсный
характер пучка облегчает измерение его скорости времяпролетным методом и по-
зволяет улучшить вакуумные условия в камере. Благодаря своим преимуществам
источник этого типа получил широкое распространение в мире при имитационных
исследованиях материалов космической техники.
Рис. 1.6.17. Ударная труба с лазерным подогревом: 1 - сопло;
2 - импульсный клапан; 3 - подача кислорода; 4 - линза;
5 - импульсный СОг лазер; 6 - оптический разряд;
7 - поток быстрого АК; 8 - образец материала
Недостатком источника является высокий уровень сопутствующего ВУФ-излу-
чения из плазмы [68]. Измерения спектра и интенсивности паразитного ВУФ-из-
лучения показали, что поток фотонов в импульсе достигает 1021 см”2-с-1. Для его
отсечки может использоваться механический обтюратор. Другой особенностью
источника является большая плотность газа у поверхности во время действия им-
пульса. По данным компьютерного моделирования [69], в таком имитаторе концен-
трация медленных атомов у поверхности образца в импульсе составляет 2-Ю15 см~3.
Это соответствует давлению 10 Па и длине свободного пробега частиц ~1 мм, что
существенно отличается от вакуумных условий в космосе.
198 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.6.18. Имитационный стенд NASA LRC:
1 - подача кислорода; 2 - камера источника с
ЭЦР-разрядом; 3 - соленоиды; 4 - линия
подачи СВЧ-энергии; 5 - вакуумная камера;
6 - низкоэнергетичный пучок АК; 7 - образец;
8 - съемный фильтр ВУФ из кварца;
9 - ВУФ дейтериевые лампы
Плазменно-пучковые стенды
Имитационный стенд NASA Levis Research Center
В данном стенде для генерации потока АК использован источник плазмы с ЭЦР
СВЧ-разрядом, разработанный фирмой Applied Science and Technology Inc. (ASTeX)
[60]. Схема установки показана на рис. 1.6.18. Кислородная плазма образуется в
потоке чистого кислорода 1, проходящем через камеру 2, где в магнитном поле соле-
ноидов 3 под действием потока 4 СВЧ-энергии на частоте 2,45 Ггц возбуждается без-
электродный ЭЦР-разряд. Кислородная плазма из области разряда расширяется в ва-
куум в камеру 5, где давление на 2-3 по-
рядка меньше, создавая ускоренный по-
ток 6 с энергией 30 эВ. При СВЧ-мощ-
ности 700 Вт интенсивность атомарно-
го потока достигает 4,5-1015 см"2-с-1 [60].
При этом на образец 7 материала воздей-
ствует также поток ВУФ-излучения с
интенсивностью в 150 раз выше по от-
ношению к солнечному излучению. Для
отсечки паразитного потока ВУФ-из-
лучения используется система 8 плоских
пластин из плавленного кварца, отра-
жающая и фокусирующая атомарный
поток на образец 7. В этом режиме ин-
тенсивность потока АК уменьшается до
(1-2)-1015 см^-с’1, а контролируемый по-
ток ВУФ создастся двумя дейтериевыми
лампами 9. Измерение эффективного флю-
енса АК производится образцом-свиде-
телем из «Каптона». Источник размещен
в вакуумной камере 5 длиной 1,71 м диа-
метром 0,71 м, снабженной аппаратурой
для измерения характеристик образцов. Рабочий вакуум составляет (2-10)-10“2 Па и
создается диффузионным насосом, работающим на перфторированном полиэфире
Fomblin. Источник использован для исследования ЭВТИ из полиимида и тефлона,
элементов солнечных батарей, силовых элементов под нагрузкой при эквивалент-
ных флюенсах АК до 2,1-1022 см~2.
Магнитоплазмодинамический ускоритель кислородной плазмы НИИЯФ МГУ
Схема ускорителя приведена на рис. 1.6.19 [63,70-73]. Анод 1, промежуточный
электрод 2 (ПЭ), полый катод 3 установлены внутри соленоида 4. Плазмообразую-
щий газ (кислород) подается в полость анода, а инертный газ (аргон или ксенон) про-
пускается через полый катод. Полость ПЭ откачивается через вакуумпровод 5. Такая
схема позволяет повысить долговечность катода и всего источника, а за счет контра-
гирования разряда снизить содержание примесей материалов электродов в потоке
плазмы до 4-10-6 [73].
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
199
Рис. 1.6.19. Магнитоплазмодинамический ускоритель кислородной
плазмы НИИЯФ МГУ: 1 - анод; 2 - ферромагнитный промежуточный
электрод; 3 - полый термокатод; 4 - соленоид; 5 - патрубок
дополнительной вакуумной откачки;
6 - отклоняющий электромагнит
Кислородная плазма, образующаяся в разрядном промежутке, ускоряется при
истечении в вакуум электрическим полем, возникающим в расходящемся магнит-
ном поле соленоида. Средняя энергия ионов в потоке регулируется в диапазоне
20-80 эВ при изменении режимов электрического и газового питания. При этом
плотность потока ионов и нейтральных частиц кислорода на поверхности образца
площадью 10 см2 составляет (1-5)-1016 см"2-с-1, что соответствует эффективной
(приведенной к энергии 5 эВ по полиимидному эквиваленту) плотности потока АК -
(0,6-8)-10|7см'2-с_1.
Для формирования нейтрального пучка атомов и молекул кислорода производит-
ся вывод из потока плазмы заряженных частиц вдоль силовых линий магнитного по-
ля соленоида, искривленных отклоняющим электромагнитом 6. Энергия нейтраль-
ных частиц в образованном таким образом молекулярном пучке уменьшается до
5-10 эВ при плотности потока 1014 см”2-с-1.
Энергетическое распределение ионной компоненты измеряется трехсеточным
анализатором тормозящего поля, ее интенсивность - двойным зондом, а массовый
состав - монопольным масс-спектрометром МХ-7305. Среднемассовые параметры
молекулярного пучка определяются по величинам потоков энергии и импульса тер-
мисторным болометром и крутильными весами. Вакуумная система стенда выполне-
на с дифференциальной откачкой диффузионными насосами на полифениловом эфи-
ре с быстротой действия 2 и 1 м3-с-1. Рабочий вакуум составляет (0,5-2)-10-2 Па при
расходах кислорода 0,2-0,5 см3-с-1 и Аг или Хе - 0,1-0,2 см3-с-1.
Для проведения ускоренных имитационных испытаний материалов в НИИ-
ЯФ МГУ создан имитационный стенд «КОМПЛЕКС-2» с магнитоплазмодинамиче-
ским ускорителем кислородной плазмы и АК [63, 71-73]. В состав стенда входит оп-
тический УФ-излучатель, содержащий ксеноновую лампу ДКСР-5000 высокого дав-
ления, кварцевые конденсор и полосовой УФ-фильтр. Система позволяет проводить
одновременное облучение материалов потоками АК, плазмы и УФ-фотонов.
200
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
На стенде проводятся исследования воздействия на материалы внешних поверх-
ностей КА потоков плазмы в широком энергетическом диапазоне, моделирующих
как натурные ионосферные условия, так и воздействие искусственных плазменных
струй электроракетных двигателей.
1.6.5.З. Проблема адекватности имитационных условий натурным
Вопросы интерпретации результатов имитационных испытаний имеют важней-
шее значение, так как от их решения зависит надежность прогноза поведения мате-
риалов в натурных условиях. Имитационные условия отличаются от натурных энер-
гетическими и массовыми спектрами, наличием ВУФ- или УФ-подсветки, плотно-
стью потоков, вакуумными и температурными условиями на поверхности. В состав
пучков, как правило, входит молекулярный кислород и ионы. Молекулярный кисло-
род легко вступает в реакции со свободными радикалами, образующимися в полиме-
ре при взаимодействии с АК, и способствует протеканию цепных процессов окисле-
ния полимера. Ионы и возбужденные атомы, обладающие более высокой потенци-
альной энергией, способны катализировать поверхностные взаимодействия, что
приводит к изменению эффективности реакций с АК.
Для иллюстрации возможных отличий результатов натурных и лабораторных ис-
пытаний в табл. 1.6.8 приведены значения коэффициента эрозии R для сополимера
тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, полученные в натурных условиях и на
различных имитационных установках [74].
Таблица 1.6.8
Сопоставление результатов натурных и лабораторных измерений коэффициента эрозии
R, 10-24 см3/атом О Эквивалентный флюенс АК, 102осм"2 Условия измерения
0,1 1-3 на орбите «Space Shuttle»
0,324 1-100 на орбите LDEF
2,0 2-15 лазерный имитатор ESTEC, PSI
3,4-6,5 1,3-4 имитатор ВЧ плазменный Lockheed
На установке ЦАГИ были проведены эксперименты по раздельному и совмест-
ному воздействию на фторопласт потоков быстрого АК и ВУФ-излучения. Результа-
ты экспериментов показали, что паразитное ВУФ-излучение источника АК и нели-
нейность дозовой зависимости фотолиза, имеющей индукционный период, могут
являться возможными причинами расхождения данных имитационных и натурных
испытаний материалов [75-80]. В этих экспериментах для политетрафторэтилена,
имеющего высокую энергию разрыва связей (5,2 эВ) по сравнению с нефторирован-
ными полимерами, было получено значение эффективности реакции фотолиза
6-10~24 см3/фотон на длине волны 147 нм, а значение коэффициента эрозии под дей-
ствием АК - менее 0,1-10-24 см3/атом О [75-80]. В работе [78] на основе сравнения
результатов натурных и лабораторных испытаний сделан вывод, что определяющую
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
201
Рис. 1.6.20. Зависимость коэффициента
эрозии полииимида от энергии АК
роль в деградации механических свойств
фторопластовых пленок играет влияние
ВУФ-излучения, а не воздействие АК.
Для правильной интерпретации данных
имитационных испытаний необходимо тес-
тирование лабораторных условий. Как уже
указывалось, в качестве эталонного мате-
риала обычно используется полиимид. На
рис. 1.6.20 представлены результаты изме-
рений коэффициента эрозии полиимида на
разных современных имитационных уста-
новках и в натурных экспериментах.
Как видно из приведенных данных, при
повышении энергии АК коэффициент эро-
зии растет. Такая зависимость, как уже
отмечалось, может быть положена в основу методики ускоренных испытаний. При
этом получаемые результаты должны корректироваться по полиимидному экви-
валенту.
В табл. 1.6.9 приведены данные, полученные на ОС «Мир» и на лазерной им-
пульсной установке ESTEC для тетрафторэтилена и полиэтилена с разной термооб-
работкой, изменяющей степень его кристалличности [81].
Как видно из приведенных результатов, для полиэтилена наблюдается удовле-
творительное согласие результатов лабораторных и натурных экспериментов. Зна-
чительное расхождение данных для тетрафторэтилена может быть объяснено воз-
действием паразитного потока ВУФ в имитаторе.
Приведенные данные свидетельствуют о необходимости учета свойств материа-
ла при выборе имитационных режимов. Особенно это относится к режимам с по-
вышенной энергией частиц АК. Использование пучков АК повышенной энергии
для имитационных испытаний может являться корректным при условии постоянст-
ва относительной эффективности реакции материала по сравнению с полиимидом.
Как показали исследования на лазерном импульсном источнике [44], энергстиче-
Таблица 1.6.9
Сопоставление результатов измерения коэффициента эрозии полимеров
на ОС «Мир» и имитаторе ESTEC
Материал Режим термообработки Степень кристалличности, % R, 10 24 см 3/атом О
«Мир» ESTEC
без обработки 43 3,47 3,2
Полиэтилен выдержка 1 ч после плавления 46 5,42 3,5
низкого давления нагрев ниже плавления 44 5,15 3,7
нагрев выше плавления 43 4,42 4,1
Т етрафторэти л ен без обработки 0,37 1,9
202
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
ская зависимость в диапазоне 1-16 эВ для многих полимеров имеет универсальный
степенной вид. В данном случае относительный коэффициент эрозии при росте энер-
гии АК существенно не изменяется. Экспериментальным подтверждением этого мо-
гут служить сравнительные данные по ускоренным испытаниям углепластиков на
плазменно-пучковой установке НИИЯФ МГУ при энергии АК 15-30 эВ и на им-
пульсном лазерном имитаторе CERT-ONERA при 5 эВ. В обоих экспериментах ис-
следовались пластины толщиной 1 мм из композита, образованного углеродными
волокнами в эпоксидной матрице. В первом случае для российского углепластика
марки КМУ-4Л при флюенсе 4-1021 см"2 удельные потери массы и коэффициент
эрозии составили соответственно 10 мг-см"2 и 2,5-10”24 г/атом О [61]. Во втором слу-
чае исследовались углепластики четырех марок GY70/SXM1, HTA/SXM18,
GY70/954m, P75/ERL1939 при флюенсе АК 1-Ю21 см"2. Соответственно удельные
потери массы составили 2,5-3,2-2,0-2,7, в среднем 2,6 мг-см”2, при среднем значении
коэффициента эрозии - 2,6-10”24 г/атом [82]. Таким образом, при повышении энергии
АК до 30 эВ коэффициент эрозии, определенный по полиимидному эквиваленту,
практически совпадает со значением при энергии 5 эВ. При этом достигаемая экви-
валентная плотность потока АК повышается более чем на порядок - с 5-1015 до
80-1015 см"2-с_1, что соответственно увеличивает кратность ускоренное™ испытаний.
Для сравнения коэффициент эрозии углепластиков на LDEF при флюенсе 9-1021 см"2
составил 1,6-10”24 г/атом О [9].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проблема стойкости материалов к воздействию АК остается актуальной уже в
течение нескольких десятилетий. За этот период получен большой объем экспери-
ментальных данных о потере массы материалов и изменении их свойств под дейст-
вием АК, а также о специфике физико-химических процессов взаимодействия АК с
материалами разных классов. Разработаны эффективные методы повышения стой-
кости материалов, эксплуатируемых на поверхности КА, с помощью нанесения
защитных покрытий или путем модификации состава материалов. Создано большое
число лабораторных имитационных установок.
В числе наиболее важных перспективных задач следует отметить необходимость
совершенствования методов имитационных испытаний материалов на стойкость к
воздействию АК с целью получения результатов, адекватных данным натурных
испытаний, и продолжение разработок моделей взаимодействия АК с полимерными
материалами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акишин А.И., Гужова С.К. Взаимодействие ионосферной плазмы с материалами и оборудованием
космических аппаратов. Физика и химия обработки материалов, 1993, № 3, с. 40-47.
2. Banks Bruce A., Sharon К. Miller, de Groh K.K. Low Earth orbital atomic oxygen interactions with materials
NASA/TM-2004-213223 August 2004 AIAA-2004-5638. Glenn Research Center, Cleveland, Ohio.
3. Naumov S.E., Gorodetsky A.A., Demidov S.A., Karasyev A.V. Research of thermal control coating optical
characteristics during long-term near earth orbital flight. In: Proc. 5th Intern. Symp. on Spacecraft Materials in
Space Environm., 1994, pp. 367-371.
ГЛАВА 1.6 ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...203
4. Shalin R.E., Minakov V.T., Deev I.S., Nikishin E.F. Study of polymer composite speciments surface changes
after the long-term exposure in space. In: Proc. 7th Intern. Symp. On Materials in Space Environment, 1997,
ESA SP-399, pp. 375-383.
5. Milinchuk V.K., Smirnova T.N. Properties of the polymeric films after natural exposure to the space envi-
ronment on the orbital space station «MIR». In: Proc. 8th Int. Symp. on Materials in Space Environment,
2000, ONERA.
6. Naumov S.F., Gorodetsky A.A., Sokolova S.P. et al. Study on materials and outer surface coatings aboard
space station «MIR». In.: Proceedings 8th Int. Symp. on Materials in Space Environment, 2000, ONERA.
7. Naumov S., Gorodetsky A., Domoratsky A., Sokolova S., Gerasimova T., Kurilyonok A., Svetchkin V., Sku-
rat V., Beryoskina N., Leypunsky I., Pshetchenkov P. Investigation of screen-vacuum thermal insulation
(SVTI) after prolonged exploitation in space environment conditions on external surfaces of space station
«MIR». In: Proc. 9th Symp. On Materials in Space Environment. ESTEC, 2003, SP-540, pp. 603-608.
8. Leger L.J. Oxygen atomic reaction with shuttle materials at orbital altitude-data and experiment status. AIAA
paper, 83-0073, 1983.
9. Silverman E.M. Space environmental effects on spacecraft: LEO materials selection guide. NASA CR-4661,
1995, part 1-2.
10. Guillaumon J.S., Marco J., Paillous A. Flight and laboratory testing of materials in low earth orbit. In: Proc.
5th Intern. Symp. on Spacecraft Materials in Space Environm., 1991, pp. 27-35.
11. Tagawa M., Ema T., Kinoshita H., Umeno M., Ohmae N. Oxidation of room temperature silicon (001) sur-
faces in a hyperthermal atomic oxygen beam. In: Proc, of 7th Int. Symp. on Materials in Space Environment,
1977, ONERA, pp. 225-229.
12. Schmitt D.R., Ringel G., Kratz F., Neubauer R., Swoboda H., Hampe J. Degradation effects of optical com-
ponents in the low orbit. In: Proc. 5th Intern. Symp. on Spacecraft Materials in Space Environm., 1994,
pp. 257-263.
13. MaagC.R., Borg J., Stevenson T.J., Tanner W.J., Deshpande S.P. In: Proc. 5th Intern. Symp. on Spacecraft
Materials in Space Environm., 1991, pp. 209-215.
14. Бабаевский П.Г., Козлов H.A., Шубин A.H., Смирнова Т.Н., Новиков Л.С., Черник В.Н. Кинетика до-
критического роста трещин клеевых соединений при воздействии факторов космического пространст-
ва. Перспективные материалы, 2003, № 2, с. 17-23.
15. Смирнова Т.Н., Александров Н.Г., Бородакова Т.Л., Рожков М.Ю., Буянов О.В., Черник В.Н., Нови-
ков Л.С., Соловьев Г.Г., Дзагуров О.Б., Криволап В.В. Способ оценки стойкости материалов космиче-
ской техники к воздействию факторов космического пространства. Патент РФ на изобретение
№ 2238228, 2004.
16. De Groh К.К., Banks В.A., Hammerstrom А.М., Youngstrom Е.Е., Kaminski C., Marx L.M., Fine E.S. MISSE
PEACE polymers: an international space station environmental exposure experiment. NASA/TM-2001-
211311.
17. De Rooij A. Some results of the oxidation investigation of copper and silver samples flown on LDEF.
In: Proc. 5th Intern. Symp. on Spacecraft Materials in Space Environm., 1991, pp. 119-129.
18. Caledonia G.E., Krech R.H., Oakes D.B. Laboratory studies of fast oxygen atom interactions with materials.
In: Proc. 6th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 1994, pp. 285-292.
19. Harris I.L., Chambers A.R., Roberts G.T. The laboratory testing of silver and polymeric materials in atomic
oxygen flows. In: Proc. 6th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 1994, pp. 195-200.
20. Акишин А.И., Новиков Л.С., Черник В.H., Наумов С.Ф., Соколова С.П., Куриленок А.О., Герасимо-
ва Т.Н. Эрозия Си, Ag, Au, Sn в низкоэнергичных потоках кислородной плазмы. Поверхность, 2006,
№ 4, с. 45-50.
21. KoontzS., King G., Dunnet A., Kirkendahl T., Linton R., Vaughn J. The international telecommunication
satellite (INTELSAT) solar array coupon (ISAC) atomic oxygen flight experiment: Techniques, result and
summary. In: Proc. 5th Intern. Symp. on Spacecraft Materials in Space Environm., 1991, pp. 331-344.
22. Banks B.A., Rutledge S.K., Brady J.A., MerrowJ.E. Atomic oxygen effects on materials. Workshop, Proc.
NASA LRC, Hampton, 1988, pp. 197-239.
23. Roussel G.F., Bourdon A.J. Spacecraft and Rockets, 2000, v. 37, No 3, pp. 324-330.
24. Skurat V.E. Evaluation of reactions efficiencies of polymeric materials in their interaction with fast (5 eV)
atomic oxygen. In: Proc. 7th Int. Symp. Materials in Space Environment, SP-399, 1997, pp. 231-235.
204 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
25. Tagawa М., Yokota К., Kinoshita Н., Ohmae N. Use of quartz crystal microbalance on the polymer degrada-
tion studies regarding atomic oxygen activities in low earth orbit. In: Proc. 9th Symp. On Materials in Space
Environment, ESTEC, 2003, SP-540, pp. 242-247.
26. Allegri G., Corradi S., Marchetti M., Milinchuk V.K. On the degradation of polymeric thin films in
LEO space environment. In: Proc. 9th Symp. On Materials in Space Environment. ESTEC, 2003, SP-540,
pp. 255-260.
27. Гулино Д.А. Срок службы солнечных концентраторов космических энергосиловых систем в условиях
воздействия микрометеорной среды и атомарного кислорода. Аэрокосмическая техника, 1989, №5,
с. 119-125.
28. Babel H.W., Jones С. Materials and process technology developed for the international space station. In: Proc.
7th Intern. Symp. On Materials in Space Environment, ESA, SP-399, pp. 31-47.
29. Ohmae N., Kinochita Y., Ikeda J., Tagava M. Space tribology activities in Japan laboratory data and flight ex-
periment aboard SFU/EFFU. In: Proc. 7th Intern. Symp. On Materials in Space Environment, ESA, 1997,
SP-399, pp. 387-391.
30. Study of effects of the space environment on infrared filters and materials flown on the NASA LDEF mission.
GR/F 67900, 1991.
31. Chalykh A.E., Matveev V.V., Nikiforov A.P., Skurat V.E., Babaevsky P.G., Markov A.V. About mechanism
of surface roughness development on polyimide films during anisotropic etching by fast atomic oxygen.
In: Proc. 7th Intern. Symp. On Materials in Space Environment, ESA, 1997, SP-399, pp. 243-246.
32. NaumovS., Domoratsky N., Sokolova S., Kuriljonok A., Kosnina E., Alexashin V., Skurat V., Volkov I.,
Berioskina N., Leipunsky I., Pshetchenkov P. Investigation of materials of insurance and fixation arrange-
ments (tapes, ropes, cords, halyards and others) that are used by cosmonauts during their work in open space.
In: Proc. 9th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 2003, SP-540, pp. 595-600.
33. Minton T.K., Garton D.J. Dinamics of atomic oxygen induced polymer degradation in LEO. Chemical dy-
namics in extreme environments. In: Advanced series in physical chemistry. Ed. Dressier R.A. World scien-
tific, Singapore, 2000, pp. 420-463.
34. Garton D.J., Zhang J., Minton T.K. Atomic oxygen interaction with saturated hydrocarbon surfaces: probing
polymer degradation mechanisms. In: Proc. 8th Int. Sym. on Materials in Space Environ, ISMSE-8, 2000.
35. Medvedeva M., Garrison B.J. Comparative study of low energy C and О atoms impact in a hydrocarbon sur-
face. In: Proc. 8th Int. Sym. on Materials in Space Environ, ISMSE-8, 2000.
36. Troya D., Schatz G. Model atomic oxygen reactions: detailed experimental and theoretical studies of the reac-
tions of ground-state O(3P) with H2, CH4, CH3CH3, and CH3CH2CH3 at hyperthermal collision energies.
In: Proc. 9th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 2003, SP-540, pp. 121-128.
37. Minton T., Garton D., Troya D., Maiti B., Pascual R., Schatz G. Model atomic oxygen reactions: detailed ex-
perimental and theoretical studies of the reactions of ground-state O(3P) with H2, CH4, CH3CH3, and
CH3CH2CH3 at hyperthermal collision energies. In: Proc. 9th Symp. On Materials in Space Environment,
ESTEC, 2003, SP-540, pp. 129-136.
38. Troya D., Schatz G. Hyperthermal chemistry in the gas phase and on surfaces: theoretical studies. Int. Re-
views in Physical Chemistry, 2004, v. 23, No 3, pp. 341-373.
39. Nikiforov A.P., Skurat V.E. Kinetics of polyimide etching by supersonic beams consisting of atomic and
molecular oxygen mixtures. Chemical Physics Letters, 1993, v. 212, pp. 43-49.
40. Zimciktet al. The effect of low earth orbit space environment on polymeric spacecraft materials. In: Proc 3nd
European Symp. On Spacecraft Materials, 1985, pp. 81-89.
41. Colub M.A., Wyderen T. Reaction of atomic oxygen with various polymer films. Polymer Degradation and
Stability, 1988, v. 22, pp. 325-338.
42. Banks B.A., Rutledge S.K., Paulsen P.E. Simulation of the low earth orbital atomic oxygen interaction with
materials by means of an oxygen ion beam. NASA, 1989, TM-101971.
43. Tagawa M., Matsushita M., Umeno M., Ohmae N. Laboratory studies of atomic oxygen reactions on spin-
coated polyimide films. In: Proc. 6th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 1994, pp. 189-193.
44. Krech R.H., Caledonia G., Oakes D. et al. AO experiments at PSI. Rep. PSI, 1996.
45. Kootz S., Leger L., Albyn K., Cross J. Vacuum ultraviolet/atomic oxygen synergism in material reactivity.
J. Spacecraft and rockets, 1990, v. 27, No 3, pp. 346-348.
ГЛАВА 1.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ...
205
46. Vered R., Lempert G.D., Grossman Е., Haruvy Y., Marom G., Singer L., Lifshitz Y. Atomic oxygen erosion
on Teflon FEP and Kapton H by oxygen from different sources: Atomic force microscopy and complementary
studies. In: Proc. 6th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 1994, pp. 175-179.
47. Iskanderova Z., Kleiman J., Gudimenko Yu., Tennison R.C. Influence of content and structure of hydrocarbon
polymers on erosion by atomic oxygen. J. Spacecrafts and rockets, 1995, v. 32, pp. 878-884.
48. Kleiman J., Iskanderova Z., Banks B.A., de Groh K.K., Sechkar E.A. Prediction and measurement of the ato-
mic oxygen erosion yield of polymers in low Earth orbital flight. In: Proc. 8th Int. Symp. on Materials in Space
Environment, ONERA, 2000.
49. Скурат B.E. Оценки вероятности химической реакции при столкновениях атомов кислорода с энергией
5 эВ с поверхностями различных органических полимеров. Докл. РАН, 1996, т. 349, № 2, с. 207-211.
50. Скурат В.Е. Уточнение вероятности реакций быстрых атомов кислорода (5 эВ) при столкновениях с
поверхностями органических полимеров и углерода. В кн.: Тез. Докл. 9 конф. Деструкция и стабили-
зация полимеров. М., РАН, 2001, с. 182-183.
51. Kleiman J., Iskanderova Z. Technological aspects of protection of polymers and carbon-based materials in
space. In: Proc. 8th Int. Symp. on Materials in Space Environment, ONERA, 2000.
52. Черник B.H., Наумов С.Ф., Демидов C.A., Соколова С.П., Свечкип В.И. Исследования полиимидных
пленок с защитными покрытиями для космических аппаратов. Перспективные материалы, 2000, № 6,
с. 32-36.
53. Iskanderova Z., Kleiman J., Gudimenko Yu., Morison D.W., Tennison R.C. Surface modification of poly-
meric materials by ion implantation for protection in LEO. In: Proc. 8th Int. Symp. on Materials in Space En-
vironment, ONERA, 2000.
54. Gudimenko Yu., Kleiman J., Iskanderova Z., Tennyson R.C., Hughes P.C., Milligan D., Grigorevskiy A.,
Shuiskiy M., Kiseleva L., Edwards D., Finckenor M. Enhancement of surface durability of space materials
and structures in LEO environment. In: Proc. 9th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 2003,
SP-540, pp. 341-346.
55. BrunsvoldA., Minton T.K., Gouzman I., Grossman E., Gonzalez R.I. An investigation of the resistance of
POSS polyimide to atomic oxygen attack. In: Proc. 9th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC,
2003, SP-540, pp. 153-167.
56. Mojazza H., Sculer P. Space durable polymeric materials for mlis, inflatable films, and space tethers. In: Proc.
8th Int. Symp. on Materials in Space Environment, ONERA, 2000.
57. Войценя B.C., Гужова С.К., Титов В.И. Воздействие низкотемпературной плазмы и электромагнитного
излучения на материалы. М.: Энергоатомиздат, 1991,224 с.
58. ASTM. Standard practics for ground laboratory atomic oxygen interaction evaluation of material for space
applications. Designation E 2089-00, June 2000.
59. Skurat V.E., Nikiforov A.P., Temovoy A.I. Investigations of reactions of thermal and fast atomic oxygen (up
to 5 eV) with polymer films. In: Proc. 6th Inter. Symp. on Materials in a Space Environment, ESTEC, 1994,
pp. 183-187.
60. Rutledge S.K., Banks B.A., Dever J., Savage W. International test program for synergistic atomic oxygen and
VUV exposure of spacecraft materials. In: Proc. 8th Int. Symp. on Materials in Space Environment, ON-
ERA, 2000.
61. Новиков Л.С., Черник B.H., Бабаевский П.Г., Козлов Н.А., Чалых А.Е., Балашова Е.В., Смирнова Т.Н.
Исследование углепластика КМУ-4Л с покрытием ЭКОМ-1 при лабораторной имитации длительного
полета в ионосфере. Перспективные материалы, 2001, № 5, с. 20-26.
62. Кудрявцев Н.Н., Мазяр О.А., Сухов А.М. Методы генерации пучков атомарного кислорода. Приборы и
техника эксперимента, 1994, т. 163, № 1, с. 31-48.
63. Акишин А.И., Новиков Л.С., Черник В.Н. Воздействие на материалы и элементы оборудования косми-
ческих аппаратов вакуума, частиц ионосферной плазмы и солнечного ультрафиолетового излучения.
В кн: Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия. Т. 17. Воздействие космической среды
на материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. Новикова Л.С., Панасюка М.И.
М.: ЗАО НИИ «ЭНЦИТЕХ», 2000, с. 100-138.
64. Kleiman J., Iskanderova Z., Gudimenko Yu., Gorodetsky S. Atomic oxygen beam sources: a critical over-
view. In: Proc. 9th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 2003, SP-540, pp. 313-324.
65. Skurat V.E., Samsonov P.V., Nikiforov A.P. Sources of hyperthermal atomic oxygen as sources of vacuum
ultraviolet radiation overview. In: Proc. 9th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 2003,
SP-540, pp. 325-340.
206 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
66. Morrison W.D., Tennison R.C., French Y.B. Microwave oxygen atom beams source. In: Fourth European
Symposium on Spacecraft Materials in Space Environment, CERT, 1988, pp. 435-441.
67. Caledonia G.E., Holtzdaw K.W., Krech R.H. et al. New results development of energetic oxygen atom beam.
Geophysical Reserch, 1993, v. 98, No A3, pp. 3725.
68. Weihs B., Van Eesbeek M. Secondary VUV erosion effects on polymers in the ATOX atomic oxygen expo-
sure facility. In: Proc. 6th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 1994, pp. 277-284.
69. Cline J., Buczala D., Minton T., Braunstein M. Simulations of ground- and space-based oxygen atom experi-
ments. In: Proc. 9th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 2003, SP-540, pp. 481-485.
70. A.c.N 1797448. МКИ H01J. Газоразрядный источник плазмы дуоплазматронного типа. Черник В.Н.
(СССР). Заявка № 4902982 от 18.01.1991. Заявл. 18.01.1991. Опубл. 12.09.1995. Бюл. № 19,3 с.
71. Titov V.I., Solovyev G.G., Tarasov Ju.I., Chernik V.N., Naumov S.F., Demidov S.A., Kutlaliev A.I. «Com-
plex-2» low earth orbital environment simulation facility for materials durability evaluation. In: Proc. 5th In-
tern. Symp. on Spacecraft Materials in Space Environm., 1991, pp. 43-45.
72. Novikov L.S., Solovyev G.G., Chernik V.N. Meteoroids and charged particles flows influence on spacecraft
materials. In: Proc. 6th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 1994, pp. 411-412.
73. Chernik V.N. Atomic oxygen simulation by plasmadynamic accelerator with charge exchange. In: Proc. 7th
Int. Symp. Materials in Space Environment, 1997, SP-399, pp. 237-241.
74. Тупиков В.И., Клиншпонт Э.Р., Милинчук В.К. Проблемы стойкости полимерных материалов в усло-
виях космического пространства. Химия высоких энергий, 1996, т. 30, № 1, с. 49-57.
75. Skurat V.E., Barbashev Е.А., Budashov L.A., Dorofeev Yu.I., Nikiforov A.P., Temovoy A.I., Van Eesbeek M.,
Levadou F. The Separate and combinated effects of VUV radianion and fast atomic oxygen on Teflon FEP
and silicon carbide. In: Proc. 7th Intern. Symp. On Materials in Space Environment, ESA, 1997, SP-399,
pp. 267-279.
76. Matveev V.V., Nikiforov A.P., Skurat V.E., Chalykh A.E. On the mechanism of polyimide surface roughen-
ing due to anisotropic etching with a beams of fast oxygen atoms. Chem. Phys. Reports, 1998, v. 17, No 4,
pp. 791-799.
77. Skurat V.E., Samsonov P.V., Nikiforov A.P. Vacuum ultraviolet radiation in sources of hyperthermal atomic
oxygen. Photodestruction of polytetrafluroethylene (PTFE) and Teflon FEP for Indication of this Radiation.
High performance polymers, 2004, v. 16, No 2, pp. 339-355.
78. Барбашев E.A., Дорофеев Ю.И., Скурат B.E. Воздействие вакуумного УФ-излучения Солнца - основ-
ная причина ухудшения механических свойств политетрафторэтилена в условиях околоземного кос-
мического пространства. Докл. АН СССР, 1992, т. 325, № 4, с. 730-734.
79. Матвеев В.В., Никифоров А.П., Скурат В.Е., Чалых А.Е. О механизме возникновения шероховатости
поверхности полимерных материалов при анизотропном травлении пучком быстрого атомарного кис-
лорода. Химическая физика, 1998, т. 17, № 4, с. 120-128.
80. Никифоров А.П., Терновой А.И., Самсонов П.В., Скурат В.Е. Проблемы изучения механизма взаимо-
действия вакуумного УФ излучения и гипертермического атомарного кислорода (5 эВ) с полимерны-
ми материалами космических летательных аппаратов. Химическая физика, 2002, т. 21, № 5, с. 73-82.
81. Matcham J., Osborn J., Kimbrey N., Chambers A., Van Eesbeek M. Atomic oxygen of polymers: A compari-
son of samples exposed in the laboratory and on MIR. In: Proc, of 8th Int. Symp. on Materials in Space Envi-
ronment, ONERA, 2000.
82. Paillous A., Pailler C. Behaviour of carbon/epoxy composites in simulated LEO and GEO environments. In:
Proc. 6th Symp. On Materials in Space Environment, ESTEC, 1994, pp. 95-102.
ГЛАВА 1.7
ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ
И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Милинчук В.К., Клиншпонт Э.Р.
Обнинский государственный технический университет атомной энергетики
Список сокращений
ДЭП доза эквивалентного повреждения
КА космический аппарат
ЛПЭ линейная передача энергии
ОДС остаточная деформация при сжатии
ПММА полиметилметакрилат
ПЭ полиэтилен
ПЭТФ полиэтилентерефталат
ВВЕДЕНИЕ
В результате поглощения ионизирующих излучений в материалах протекают ра-
диационно-индуцированные процессы, приводящие к изменениям их первоначальных
свойств. Поэтому при использовании материалов в радиационных полях космическо-
го пространства надо иметь достоверную информацию об их способности противо-
стоять радиационному воздействию. Это свойство полимерных, композиционных,
органических и других материалов принято определять специальным показателем
радиационная стойкость, который введен в обязательный перечень показателей ма-
териалов, предназначенных для применения в радиационных полях [1-4].
При облучении ионизирующими излучениями космического пространства изме-
нение свойств материалов определяется различными диапазонами спектра излуче-
208 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
ний. Поэтому все характерные параметры материалов принято делить на поверхно-
стные и объемные. Поверхностные параметры полимерных материалов определяют-
ся состоянием приповерхностного слоя толщиной не более 20 мкм. Деградация таких
поверхностных свойств полимерных материалов, как оптические, адгезионные, три-
ботехнические и другие, определяется воздействием солнечного рентгеновского из-
лучения и вакуумного УФ-излучения, электронов с энергиями не более 100 кэВ и
протонов с энергиями не более 0,5 МэВ. Объемные повреждения материалов обу-
словлены высокоэнергетической частью спектра заряженных частиц и тормозным
излучением.
Изменения свойств полимерных материалов могут носить как необратимый, так и
обратимый характер. Необратимые изменения исходных свойств принято характери-
зовать как деградацию материала. Необратимый характер носят такие радиационные
процессы, как, например, сшивание и деструкция полимеров, образование газообраз-
ных продуктов, образование и разрушение различных химических групп. Обратимы-
ми обычно являются радиационно-индуцированные изменения электропроводности,
оптических свойств, некоторых механических свойств и др. В этом случае после пре-
кращения радиационного воздействия начальные свойства полимеров полностью или
в значительной степени возвращаются к первоначальным значениям.
В общем виде радиационная стойкость полимеров сложным образом зависит от
совокупности воздействующих факторов космического пространства, а также приро-
ды материала. Прежде всего, определяющее влияние оказывает характер радиацион-
ного воздействия, а именно: величина поглощенной дозы, мощность поглощенной
дозы, вид ионизирующих излучений. Радиационная стойкость полимерных материа-
лов существенно зависит также от таких факторов космического пространства, как
вакуум, температура (термоциклирование), собственная атмосфера космического
аппарата (КА). В большой степени радиационная стойкость полимерных материалов
определяется природой полимеров, а именно: электронным строением макромолекул,
их химическим строением, надмолекулярной структурой материала, составом и ко-
личеством примесных молекул и специально вводимых технологических добавок.
Значительное влияние оказывают размер материала, внешние механические нагруз-
ки, электрические поля и другие факторы.
Следует особо отметить важность фоторадиационного воздействия на полимер-
ные материалы, под которым принято понимать одновременное или поочередное
воздействие ионизирующих излучений и света [2, 3, 5-7]. В космосе фоторадиацион-
ное воздействие складывается из действий ионизирующих излучений и электромаг-
нитных излучений оптических частот. Источниками излучений оптических частот
являются Солнце, собственная радио- и фотолюминесценция полимерных и других
органических материалов, излучение Вавилова-Черенкова, а также различные искус-
ственные источники света и лазерного излучения, присутствующие на КА.
Важность изучения проблемы фоторадиационной стойкости объясняется тем, что
для некоторых свойств полимерных материалов она может быть определяющей. Это
обусловлено тем, что при поглощении энергии ионизирующих излучений в материа-
лах образуются заряженные и нейтральные промежуточные активные частицы, а
также стабильные продукты радиолиза, оптическое поглощение которых на десятки
ГЛАВА 1.7 ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...209
и сотни нанометров смещено в длинноволновую область по сравнению с собствен-
ным поглощением материала [2, 3, 5, 6]. В результате полимерные материалы приоб-
ретают чувствительность к длинноволновому оптическому излучению, поглощение
которого приводит к значительным повреждениям, иногда во много раз превышаю-
щим радиационные.
1.7.1. Дозовые нагрузки в космическом пространстве
Основными источниками ионизирующих излучений в космическом пространстве
являются галактические и солнечные космические лучи, солнечное рентгеновское
излучение с длинами волн 1-10 нм, вакуумное УФ-излучение, потоки захваченных
заряженных частиц в радиационных поясах Земли [4].
Мощность поглощенной дозы галактических космических лучей в зависимости от
высоты (300-1 500 км) изменяется от 0,01 до 2 Гр-сут”1, интервал поглощенных доз
составляет 0,03-7,3 Гр-год”1. В околоземном пространстве доза меньше, чем в меж-
планетном, что обусловлено экранирующим влиянием Земли (снижение примерно в
2 раза) и геомагнитным эффектом (снижение в 3-10 раз). На высотах 200-600 км
доза на экваториальной орбите примерно в 5 раз меньше, чем на полярной.
Солнечные космические лучи появляются только во время повышенной актив-
ности Солнца. За год поглощенные дозы на поверхности составляют 10-102 Гр.
Во внутреннем радиационном поясе годовые дозы на поверхности КА состав-
ляют: от протонов - 108 Гр (103 Гр за защитой 1 г-см”2), электронов - 1О10 Гр, тормоз-
ного излучения - 103 Гр (103-104 Гр за защитой 1 г-см”2).
Во внешнем радиационном поясе максимальные годовые дозы на поверхности
КА для орбит с наиболее жесткими радиационными условиями составляют: от про-
тонов - 109-1011 Гр (103 Гр за защитой 1 г-см”2), электронов - 109-10и Гр (103 Гр за
защитой 1 г-см”2), тормозного излучения с энергиями квантов 0,02-5 МэВ -
103-105 Гр (102-104 Гр за защитой 1 г-см”2).
Наибольший вклад рентгеновского излучения Солнца с энергией 0,1-10 кэВ
приходится на период солнечных вспышек, при этом основное воздействие оказы-
вают фотоны с энергией от 1 до 3 кэВ. Вклад тормозного излучения в радиацион-
ное повреждение материалов становится существенным при толщинах более не-
скольких г-см”2 и для экранированных материалов.
Наиболее важным источником оптического излучения в космосе является Солнце.
Полная интенсивность электромагнитного излучения Солнца на орбите Земли со-
ставляет 1 396 ± 27 Вт-м”2 (солнечная постоянная). Примерно 0,03% потока излуче-
ния приходится на область 10-225 нм (энергия от 124 до 5,5 эВ соответственно). Фо-
тоны такой энергии могут вызывать ионизацию и возбуждение молекул, т. е. в кос-
мическом пространстве солнечное излучение создает условия фоторадиационного
воздействия.
Фоторадиационную обстановку характеризуют следующие параметры: вид иони-
зирующего изучения, мощность дозы ионизирующего излучения или поток ионизи-
рующих частиц, а также интенсивность, спектральный состав излучения оптических
частот и температура. При описании условий фоторадиационного воздействия еле-
210
ФИЗИЧЕСКИЕПРОЦЕССЬГВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
дует принимать во внимание, что эти два вида излучения могут воздействовать одно-
временно, последовательно и попеременно. В последних двух случаях существенное
значение имеют также временные параметры - длительность облучения, интервалы
между облучениями и т. д.
В качестве обобщенного параметра, характеризующего фоторадиационное воз-
действие, можно принять отношение энергетических потоков ионизирующих излу-
чений Пи и излучений оптических частот По Ф = Пи/По. Так, для фоторадиационно-
го воздействия, создаваемого излучением Солнца, Ф= 10-4-10-2, а с учетом других
источников ионизирующих излучений космического пространства Ф = 102-104.
Поглощенные дозы космического корпускулярного излучения для некоторых ти-
повых орбит за год полета КА приведены в табл. 1.7.1. Значения доз рассчитаны для
приповерхностного слоя материала без защиты.
Таблица 1.7.1
Значения поверхностной годовой поглощенной дозы, [Гр год-1] для стандартных орбит КА
Орбита КА и ее высота Электроны Протоны Сумма
Околоземная круговая орбита станции «Мир», 350 км 6,4-102 15 6,55-102
Околоземная круговая орбита МКС, 426 км 1,1710’ 48 1,22-10’
Геостационарная круговая, 35790 км 5,36-Ю5 83-10“ 8,8-107
ГЛОНАСС/GPS, круговая, 19 100 км 3,80-105 1,97-106 2,3510*
Высокоэллиптическая, 500-39660 км 2,57-Ю5 3,1210s 5,69-105
Стандартная полярная орбита, круговая, 600 км 2,45-10’ 2-102 2,75-10’
1.7.2. Зависимость свойств полимерных материалов от величины
поглощенной дозы
1.7.2Л. Основные характеристики радиационных эффектов
Пороговые дозы
О способности материалов сохранять в определенных пределах свои свойства
качественно судят по величине пороговых или предельных доз, при которых мате-
риал становится непригодным для применения в конкретных условиях эксплуатации.
В первом приближении об относительной стойкости полимерного материала можно
судить на основе сопоставления пороговых доз, характеризующих степень радиаци-
онной деградации как незначительную (степень сохранения свойств от исходного
значения до 80%), заметную (до 50%) и значительную (до 10%) [4].
Величины пороговых доз определяются параметром полимерного материала,
выбранным в качестве лимитирующего радиационную стойкость, а также заданными
предельными его значениями. Так, например, если в качестве пороговой выбрать
дозу, при которой предел прочности при разрыве полимера уменьшается до 50%
ГЛАВА 1.7 ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...211
Таблица 1.7.2
Пороговые дозы уменьшения в два раза прочности при разрыве
полимеров и полимерных композиционных материалов
Полимер Доза, МГр
Фторпроизводные (Ф-4, Ф-3,Ф-50, Ф-26, Ф-100, Ф-400, Ф-10) 0,01-1,0
Полиметилметакрилат 0,3
Полиамиды 1,0
Поликапролактам 0,6
Полиэтилен высокого и низкого давления 1,0; 3,0
Поливинилхлорид 1,5
Полистирол 5,0
Эпоксидные смолы и композиции на их основе 10-30
Полиимид 100
Полиэфирные смолы и материалы на их основе 0,5-2,0
Полиэтилентерефталат 2,0
Сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом 1,0
Эластомеры на основе различных каучуков 0,1-10
исходного значения, то наиболее используемые полимеры можно расположить в ряд
радиационной стойкости от 0,01 до 100 МГр (табл. 1.7.2). Пороговые дозы для одно-
го и того же материала при использовании его в разных эксплуатационных условиях
с различным целевым назначением могут существенно отличаться. В обобщенном
виде сведения о пороговых дозах и относительной радиационной стойкости полиме-
ров и различных каучуков приведены в [4].
Радиационно-химические выходы продуктов
Для количественного описания радиационных эффектов используют понятие ра-
диационно-химический выход G = dN/dD и измеряют в единицах продукта N, отне-
сенного к 100 эВ поглощенной энергии (частиц/100 эВ). Величина радиационных
выходов продуктов позволяет ориентировочно оценивать радиационную стойкость
материала.
Последовательность радиационных процессов в веществе, развивающихся после
поглощения ионизирующих излучений, условно принято делить на три стадии - фи-
зическую, физико-химическую и химическую. Физическая стадия включает все про-
цессы поглощения излучений, перераспределения и диссипации поглощенной энер-
гии. Физическая стадия продолжается от 10~19 с (время ионизации К-электронов) до
10~3 с (время дипольной релаксации в твердой фазе и фосфоресценции). В результате
ионизации и возбуждения молекул образуются ионы (М+), возбужденные ионы (М+*),
электроны, возбужденные состояния молекул (М*) (синглетные, триплетные), сверх-
возбужденные состояния молекул (М**) с энергией, превышающий первый потенциал
212 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
ионизации молекул, а также плазмоны, представляющие собой коллективное возбу-
ждение ансамбля молекул, на которых делокализовано возбуждение. Общий радиа-
ционный выход первичных заряженных и возбужденных частиц около 7-10.
На физико-химической стадии протекают химические процессы электронно-
возбужденных молекул, а также превращения заряженных частиц в неравновесных
условиях, которые происходят за время 1О~13-1О~10 с. Энергия возбужденных состоя-
ний молекул расходуется в процессах излучательной дезактивации (флуоресценция,
фосфоресценция), внутренней конверсии, диссоциации на стабильные молекулы и
свободные радикалы, внутримолекулярной перестройки с образованием стабильных
молекул, реакции возбужденных молекул и др. Перенос энергии синглетных и три-
плетных состояний может происходить по индуктивно-резонансному или обменно-
резонансному механизмам. К моменту окончания физико-химической стадии в веще-
стве образуются промежуточные активные частицы М+, М*, захваченные электроны,
свободные радикалы и стабильные продукты.
Химическая стадия включает в себя реакции промежуточных активных частиц и
молекул в состоянии термического равновесия с окружающей средой. В реакциях
диссоциации ионов, передачи заряда, присоединения и др. образуются новые ионы и
конечные продукты радиолиза. На конечном этапе электроны и отрицательные ионы
нейтрализуют положительные заряды. Энергия нейтрализации большей частью дис-
сипирует в тепло и расходуется на возбуждение низших синглетных и триплетных
состояний. В результате реакций возбужденных молекул, ионных и ион-молеку-
лярных реакций образуются свободные радикалы с выходами от 10”4 до 10.
В настоящее время накоплен большой массив данных о радиационно-химических
выходах сшивания и деструкции полимеров, образования макрорадикалов, газо-
образных продуктах и их составе и т. д. [1-4]. По способности претерпевать преиму-
щественно сшивание или деструкции полимеры делят на радиационно-сшивающиеся
и радиационно-деструктирующие. У радиационно-сшивающихся полимеров выходы
сшивания, в зависимости от природы полимеров, лежат в интервале от 0,02 (поли-
стирол) до 5-7 (полиэтилен, полидиметилсилоксан). Целый ряд полимеров претерпе-
вают преимущественно радиационную деструкцию, например, полиизобутелен
(G « 8), целлюлоза (G « 10), полимстилметакрилат (G » 2). Радиационной деструкции
в разной степени подвергаются практически все изученные полимеры с выходами,
отличающимися в 10-100 раз, например, от 0,08 (полибутадиен) до 11 (полихлорал-
кены). В целом ряде полимеров одновременно протекают процессы сшивания и дест-
рукции, например, в полипропилене выход сшивания 0,5 и выход деструкции 0,6; в
полибутадиене - соответственно 2,0-5,8 и 0,08; в поливинилхлориде - 0,9 и 0,5 соот-
ветственно. Величины радиационно-химических выходов газообразных продуктов,
как правило, в 2-3 меньше выходов сшивания и деструкции, за исключением поли-
винилхлорида (выход хлористого водорода составляет около 20).
Влияние вида ионизирующих излучений
Поскольку в условиях космического пространства материалы подвергаются воз-
действию излучений различной природы в широком диапазоне энергий, то возникает
вопрос: является ли поглощенная доза однозначной мерой воздействия различных
ГЛАВА 1.7
ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...
213
видов ионизирующих излучений при прочих равных условиях облучения (мощность
поглощенной дозы, температура, среда и т. п.)? Общепринято давать отрицательный
ответ на этот вопрос: в радиобиологии введены коэффициенты относительной биоло-
гической эффективности различных видов ионизирующих излучений, в радиацион-
ной безопасности используются коэффициенты качества излучений.
Радиационные эффекты в полимерах принято связывать с различными значени-
ями линейной передачи энергии (ЛПЭ) ионизирующих излучений, хотя ЛПЭ не все-
гда может служить характеристикой качества излучения, особенно при рассмотрении
радиационных процессов в нанообластях размерами до 10-50 нм. К сожалению,
данные о влиянии вида излучения немногочисленны и нередко противоречивы.
В частности, это связывают с наличием или отсутствием в окружающей среде моле-
кулярного кислорода.
Приведем ряд примеров по влиянию вида излучения на образование гель-фрак-
ции, сшивание и деструкцию. Так, для полипропилена доза гель-образования состав-
ляет -0,25 МГр при у-облучении (ЛПЭ = 0,2 кэВ-мкм"1) и -0,5 МГр при а-облучении
(ЛПЭ = 30 кэВ-мкм"1). Содержание гель-фракции в полиэтилене высокой плотности
при дозе 0,3 МГр с ростом ЛПЭ от 0,2 до 65 кэВ-мкм"1 увеличивается от 67 до 99%, а
в полиэтилене низкой плотности от 67 до 72%. С ростом ЛПЭ выход сшивания в по-
листироле увеличивается, а в полипропилене уменьшается.
Установлено, что доза эквивалентного повреждения полиэтилена имеет тенден-
цию к снижению с ростом ЛПЭ. Напротив, снижение прочности и удлинения при
облучении протонами и другими тяжелыми частицами для ароматических полимеров
меньше, чем при облучении электронами. В политетрафторэтилене на изменение
тангенса угла диэлектрических потерь tgS большее влияние оказывает облучение
смешанным п, у-излучением реактора, чем только у-квантами (ЛПЭ = 0,2 кэВ-мкм”1) и
протонами (ЛПЭ = 0,8 кэВ-мкм”1) [1]. С ростом дозы специфика воздействия различ-
ных видов излучения постепенно нивелируется. При этом предельные дозы, при
которых влияние вида излучения существенно уменьшается, зависят от природы
полимерного материала. Замечено, что специфика воздействия различных видов
излучений на радиационную стойкость полимеров проявляется тем сильнее, чем
выше уровень организации структуры полимера: наименьшая зависимость от вида
излучений проявляется у аморфных, а наибольшая - у частично кристаллических
полимеров [1].
1.7.2.2. Дозовые зависимости свойств полимерных материалов
Степень изменения первоначальных свойств материала обусловлена, прежде все-
го, величиной поглощенной дозы. Коротко проанализируем дозовые зависимости
свойств полимерных материалов [1-4].
В диапазоне относительно низких доз, которые для полимерных материалов
простираются до 105 Гр, степень необратимых изменений свойств, как правило,
незначительна. В то же время установлено, что для исчезновения ряда примесных
молекул (например, растворенного молекулярного кислорода, примесей мономера)
достаточно доз в интервале от 0,2 до 40 кГр. У сцинтилляционных детекторов на
основе полистирола и его производных выход радиолюминесценции (основной по-
214
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
казатель их радиационной стойкости) снижается в 2 раза уже при дозе 10 кГр. Низ-
кая радиационная стойкость политетрафторэтилена (тефлона), особенно при облу-
чении в кислородсодержащей среде, является следствием протекания окислитель-
ных процессов, приводящих к деструкции макромолекул и потере механической
прочности материала.
При более высоких дозах (> 105 Гр) радиационные превращения полимеров и
накопление продуктов радиолиза зависят линейно от величины поглощенной дозы
в весьма широком диапазоне доз. В этой области доз в наибольшей степени прояв-
ляется влияние на радиационную стойкость полимера электронного и химического
строения органических молекул, рецептурных и вводимых для защиты материа-
лов от воздействия ионизирующих излучений антирадных добавок. Именно в этом
интервале доз принято определять радиационно-химические выходы продуктов
радиолиза G.
В настоящее время сформулирован принцип радиационной стабильности поли-
меров, в основе которого лежит отношение энергии триплетного уровня молекул Ет
к энергии разрываемой связи £д. Определены три группы радиационной стабильно-
сти. К первой группе относятся соединения, у которых Ет > £д. У соединений, при-
надлежащих к этой группе, например, полиэтилена, поливинилового спирта, али-
фатических полиамидов, выходы продуктов радиолиза G лежат в диапазоне от 2
до 7 (низкая радиационная стабильность). Во вторую группу входят соединения, у
которых Ет < Ед и G < 1 (высокая стабильность), например, полиимиды, полистирол
и его замещенные. К третьей группе относятся молекулы, состоящие из ароматиче-
ского фрагмента и многоатомного алифатического радикала. Для них выходы про-
дуктов G < 1.
В области больших доз (> 107 Гр) многие материалы в значительной мере утрачи-
вают свои исходные свойства, и при дозах выше предельных их не рекомендуется
использовать в радиационных полях. При таких дозах уже продукты радиолиза начи-
нают подвергаться воздействию ионизирующих излучений и вступать в новые ра-
диационно-химические реакции. В результате образуются новые продукты радиолиза
следующих поколений, т. е. происходит изменение механизма радиолиза.
Сложный характер носят зависимости изменений свойств полимерных материа-
лов от величины дозы. Процессы радиационной деструкции и сшивания макромоле-
кул приводят к необратимым изменениям химической и физической структуры по-
лимеров. В результате деструкции происходят разрывы основной полимерной цепи, а
также отщепление боковых групп и других фрагментов от макромолекулы. В этом
случае средняя молекулярная масса полимера уменьшается. Сшивание происходит
через образование химических связей между отдельными макромолекулами или раз-
личными частями одной и той же макромолекулы. В этом процессе молекулярная
масса полимера увеличивается, и в полимере образуется трехмерная сетка. Как пра-
вило, сшивание и разрывы полимерных цепей протекают одновременно, но их эффек-
тивность зависит от химического строения макромолекул, надмолекулярной структуры
полимера, природы и количества примесных и технологических добавок и т. д.
Процессы радиационного сшивания и деструкции приводят к структурным изме-
нениям полимерных материалов, прежде всего к изменениям степени кристаллично-
ГЛАВА 1.7 ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...215
сти, плотности, температур плавления, стеклования, фазовых переходов. Например, в
полиэтилене высокой плотности при дозе 10МГр плотность кристаллической фазы
рк снижается от 0,952 до 0,910 г-см”2, степень кристалличности уменьшается с 68 до
25% (у-облучение при 373 К в вакууме). Напротив, в полиэтилентерефталате (ПЭТФ),
принадлежащем к частично кристаллическим полимерам, степень кристалличности
увеличивается при облучении даже очень небольшими дозами (10”2Гр). При
у-облучении в кислородсодержащей среде плотность увеличивается от 2,165 до
2,243 г-см”3, а степень кристалличности от 58,4 до 84,0% при росте дозы до 1 МГр.
При больших дозах значения этих параметров начинают снижаться.
Соотношение скоростей радиационной деструкции и сшивания определяет ха-
рактер влияния дозы на такие показатели, как прочность при растяжении сгр, относи-
тельное удлинение при разрыве 8Р, модуль упругости М, относительное остаточное
удлинение после разрыва 0Р, сопротивление раздиру В, твердость Н и остаточная
деформация при сжатии (ОДС).
Радиационные изменения химического строения и физической структуры суще-
ственно влияют на электрическую проводимость, диэлектрические потери и элект-
рическую прочность полимерных материалов. Необратимые изменения таких ди-
электрических параметров, как тангенс угла диэлектрических потерь tg 8 (рис. 1.7.1)
и диэлектрическая проницаемость 8, при облучении неполярных полимеров в кисло-
родсодержащей среде обусловлены образованием различных кислородсодержащих
групп (пероксидных, карбонильных, карбоксильных и др.). Сшивание и кристалли-
зация полярных полимеров приводят к уменьшению абсолютных значений tg 8 за
счет дипольно-сегментальных потерь, к смещению его максимума в область более
высоких температур. Деструкция может как увеличивать, так и уменьшать tgS, но
всегда приводит к смещению максимума в область более низких температур.
Структурирование и деструкция значительно влияют на такие барьерные свойства
полимерных материалов, как газо- и паропроницаемость, которые определяются
Рис. 1.7.1. Зависимость tg8 от вида излучения: 1 - исходный образец,
2 - облученный протонами с энергией 100 МэВ, 3 - облученный
у-излучением 60Со, 4 - п,у-излучением реактора ВВРц [1]
216
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
растворимостью и реакционной способностью диффузанта относительно матрицы,
нарушениями сплошности матрицы на микро- и макроуровнях и др.
Резины по способности сохранять эластичность отличаются в 10-100 раз [13].
При изменениях соотношения скоростей радиационного сшивания и деструкции из-
меняется характер зависимости от дозы таких показателей, как прочность на разрыв
при растяжении, относительное удлинение при разрыве, твердость, модуль упругос-
ти, и других параметров, характеризующих механические свойства полимерных ма-
териалов.
Если скорости сшивания и деструкции соизмеримы, в ненагруженных образцах
плотность пространственной сетки и основные механические свойства резин претер-
певают незначительные изменения. При облучении резин на основе сшивающихся
каучуков, например, бутадиенового, бутадиен-нитрильного, кремнийорганического,
значение 8Р снижаются существенно быстрее, чем для резин из деструктирующих
каучуков. Ухудшение свойств резин при облучении в ненагруженном состоянии оп-
ределяется только конечной пространственной сеткой. В нагруженном состоянии
процессы сшивания приводят к накоплению ОДС.
При облучении резин на основе структурирующихся каучуков падают относи-
тельное удлинение, прочность при растяжении, модуль упругости, твердость, проис-
ходит накопление ОДС, и при больших дозах происходит полное охрупчивание ре-
зин. В резинах на основе каучуков, в которых преобладает радиационная деструкция
(натуральный каучук, синтетический каучук изопреновый, этилен-пропиленовый), с
большой скоростью накапливается ОДС и падает прочность; равновесный модуль
упругости, твердость и относительное удлинение изменяются в меньшей степени.
В обобщенном виде характеристика относительной радиационной стойкости
различных каучуков (по изменению физико-механических свойств) приведена в
табл. 1.7.3.
Таблица 1.7.3
Влияние поглощенной дозы ионизирующих излучений на физико-механические
свойства каучуков (доза, 104 Гр)
Каучук Не изменяются Сохраняются удовлетворительно Утрачиваются
Бутиловый <2 2-4 4-10
Полисульфидный <3 3-5 5-10
Хлорпреновый <20 20-100 100-150
Бутадиен-нитрильный <20 20-100 100-150
Акрилатный <11 10-100 100-160
Натуральный <50 50-130 130-900
Уретановый <70 70-300 100-1000
Фторсодержащий < 10 10-30 30-80
Кремнийорганический < 10 10-60 60-110
ГЛАВА 1.7
ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...
217
1.7.3. Влияние мощности поглощенной дозы
1.7.3.1. Обратимые и необратимые изменения свойств материалов
Как было отмечено выше, радиационная стойкость органических материалов
характеризуется, прежде всего, величиной пороговой поглощенной дозы, при кото-
рой достигается предельно допустимое изменение свойств материала. Однако эта
величина не является универсальной характеристикой материала, так как зависит
от ряда других параметров, таких, как вид ионизирующих излучений, мощность
поглощенной дозы Р, температура, состав окружающей среды и т. д. Особенно
важное значение имеет взаимосвязь между дозой, мощностью дозы и временем ра-
диационного воздействия, с одной стороны, и количественными параметрами об-
ратимых и необратимых изменений конкретных свойств материалов - с другой
[1,3,4].
Прежде всего, от мощности дозы зависят скорости радиационных процессов, оп-
ределяющих обратимые изменения свойств материала, т. е. таких, которые происхо-
дят в период облучения и быстро исчезают после окончания облучения. Как правило,
за такие обратимые изменения ответственны процессы, протекающие с участием
электронов, ионов, свободных радикалов, возбужденных молекул, которые являются
короткоживущими высоко реакционно-способными частицами. В качестве типично-
го примера здесь можно указать радиационную электрическую проводимость поли-
мерных диэлектриков.
Вместе с тем от мощности дозы существенно зависят необратимые изменения
свойств материалов, обусловленные взаимодействием с реагентами из окружающей
среды, в первую очередь с молекулярным кислородом, атомарным кислородом и
другими продуктами собственной атмосферы КА. Для реальных изделий из поли-
мерных материалов скорость радиационного окисления, как правило, зависит от раз-
меров и формы изделия. Диффузионный режим окисления приводит к образованию в
материале неоднородной структуры, состоя-
щей из наружного окисленного слоя d и внут-
реннего слоя с отличающимися друг от друга
свойствами. Так, в случае полиолефинов тол-
щина окисленного слоя оценивается как
d-рм.
В обобщенном виде зависимость радиаци-
онной стойкости (на примере изменения от-
носительного удлинения при растяжении по-
лимеров от мощности дозы) представлена на
рис. 1.7.2. При облучении в вакууме или в
инертной атмосфере степень радиационной
Рис. 1.7.2. Влияние мощности
поглощенной дозы Р на дозу половинного
изменения Dq,s относительного
удлинения полимеров, облученных
в отсутствие кислорода (1) и в
кислородсодержащей среде (2)
деградации полимеров зависит только от дозы
и не зависит от мощности дозы (кривая 1).
При облучении на воздухе радиационные из-
менения механических свойств сложным об-
разом зависят от мощности дозы (кривая 2).
218 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
При Р> 100 Гр-с”1 радиационные процессы протекают в условиях, приближенных к
условиям вакуума, и практически не зависят от мощности дозы. Также почти не за-
висит от мощности дозы радиационная деградация механических свойств полимеров
при значениях мощности дозы ниже 1 Гр-с”1. Это означает, что при Р< 1 Гр-с”1 ра-
диационно-окислительным превращениям подвергается весь объем полимера, а по-
теря прочности происходит в результате разрывов полимерной цепи. В промежуточ-
ной области радиационные изменения зависят от мощности дозы. Например, в случае
полиэтилена внешний слой претерпевает преимущественно окислительную деструк-
цию, что приводит к ухудшению его физико-механических свойств. В неокисленной
области (внутренний слой) будет идти сшивание. Таким образом, радиационная
стойкость полимеров в зависимости от дозы, мощности дозы и размеров образцов
носит сложный характер.
1.7.З.2. Специфика влияния мощности поглощенной дозы при облучении
полимеров в вакууме
Следствием общепринятого мнения о независимости радиационных эффектов от
мощности дозы при облучении в бескислородной среде является то, что как между-
народный стандарт МЭК [8], так и национальный стандарт России [9] практически
ограничивают ускорение радиационных испытаний полимерных материалов в таких
условиях только заданной температурой облучения. Однако для полимерных мате-
риалов космической техники, эксплуатируемых в условиях глубокого вакуума, этих
ограничений недостаточно хотя бы потому, что они, как правило, относятся к значе-
ниям Р > 0,1 Гр-с”1. Это не позволяет экстраполировать такие выводы на диапазон
10"5<Р< 10"3 Гр-с”1 [10], характерный для космической техники на околоземных
орбитах. Поэтому в стандарте Европейского космического агентства [И] рекоменду-
Рис. 1.7.3. Зависимость ОТ МОЩНОСТИ ДОЗЫ ИСТИННОГО Gr
и эффективного (7эфф радиационно-химических выходов
парамагнитных центров в стеклах: 1 - ПС; 2 - ПК; 3 - ПММА;
4 - натриево-силикатное стекло [12]
ГЛАВА 1.7
ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...
219
Рис. 1.7.5. Зависимость содержания
гель-фракции q от мощности дозы Р
для полипропилена,
облученного дозами:
1-1,0; 2-2,5; 3-5,0 МГр [13]
Рис. 1.7.4. Зависимость радиационно-
химического выхода продуктов радиолиза
ПЭТФ от мощности дозы у-излучепия:
1 - карбоксильные группы -СООН;
2 - газообразные продукты. Р\ = 0,01 Гр е-1
ется проводить предварительную проверку независимости радиационных эффектов
от мощности поглощенной дозы для каждого материала и свойства при облучении в
вакууме.
К настоящему времени накопилось достаточно много данных, демонстрирующих
зависимость радиационных эффектов от мощности дозы и в вакууме. Анализ лите-
ратурных данных показал, что для широкого класса полимеров радиационные изме-
нения физико-химических и эксплуатационных (механических, электрофизических,
теплофизических, оптических) свойств, образования газообразных продуктов при
облучении в вакууме зависят от мощности поглощенной дозы [13-16]. Эффект дос-
тигает порядка величины, а в ряде случаев зависимость имеет немонотонный харак-
тер от мощности дозы.
В качестве примера приведем некоторые результаты исследований влияния мощ-
ности дозы на радиационно-химические процессы в вакууме. На рис. 1.7.3 приведены
истинный Gr и эффективный (7эфф радиационно-химические выходы парамагнитных
центров в вакууме при комнатной температуре в высокомолекулярных и низкомоле-
кулярных стеклах в зависимости от мощности дозы [13-15]. На рис. 1.7.4 приведена
зависимость радиационно-химического выхода продуктов (карбоксильных групп,
водорода) при радиолизе ПЭТФ от мощности дозы гамма-излучения [13], а на
рис. 1.7.5 - зависимость содержания гель-фракции от мощности дозы для полипро-
пилена, облученного дозами 1,0; 2,5 и 5,0 МГр [13].
1.7.3.3. Модели влияния мощности дозы на радиационные эффекты
Теоретические предпосылки для описания зависимости радиационной стойкости
от мощности дозы в вакууме лежат в комбинации процессов радиолиза полимерных
материалов с физико-химическими процессами молекулярных движений в полимер-
ной матрице. Косвенным свидетельством неизбежности такого эффекта является за-
висимость радиационных изменений свойств материалов от температуры облуче-
220
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
ния [3], когда изменяется соотношение скоростей (частот) термоактивационных ак-
тов молекулярного движения и радиационных актов возбуждения вещества и генера-
ции активных частиц.
Объективными причинами влияния мощности поглощенной дозы на необрати-
мые изменения свойств полимеров при облучении в вакууме являются:
• взаимодействие продуктов радиолиза, в частности, одновременное протекание
нескольких химических реакций, отличающихся порядком реакции;
• процессы массопереноса продуктов радиолиза;
• релаксационный характер молекулярной подвижности полимерных материалов.
Взаимодействие продуктов радиолиза
Изменение свойств полимерных материалов является следствием протекания
ряда химических и физических процессов, в которых участвуют частицы (структу-
ры), имеющие различные времена жизни (релаксации). Если результат радиацион-
ного воздействия зависит от взаимодействия двух продуктов радиолиза (в том числе
и разной степени удаленности от первичного акта), то должна наблюдаться зависи-
мость от мощности дозы. На такую возможность указывали пороговые значение
мощности поглощенной дозы, при которой происходит перекрытие шпуров проме-
жуточных продуктов радиолиза, приводящее к росту их взаимодействия и, следова-
тельно, к появлению искомого эффекта. Однако вплоть до Р = 4-Ю10 Гр-с"1 такой
зависимости не обнаружили.
Рассмотрим в качестве примера следующий обобщенный случай. Пусть продукт
радиолиза Е является результатом взаимодействия двух продуктов радиолиза R\
и Т?2, тогда кинетика накопления будет описываться следующей системой урав-
нений:
dE/dt = kR\R2,
dR\ldt = G\P - kR\R2- R\ /
dR2 / dt — G2P — kR\R2 — R2 / t2,
где P - мощность дозы; Gb G2 - радиационно-химические выходы образования про-
дуктов R\ и R2; Tj и т2- времена жизни продуктов радиолиза. Для простоты анализа
рассмотрим стационарный случай и допустим, что стационарная концентрация про-
дуктов радиолиза определяется, в основном, реакциями гибели (исчезновения, выхо-
да из реакционного объема и т. п.), тогда:
R\ = G\Pt\R2 = G2Pt2 и dE!dt = kG\G2P2T\T2.
Видно, что скорость накопления продукта Е квадратично зависит от мощности
дозы Р.
В другом предельном случае, когда продукты радиолиза исчезают только в про-
цессах их взаимодействия, будет наблюдаться линейная зависимость от мощности
дозы. Очевидно, в других случаях может наблюдаться иная зависимость от мощности
дозы. В качестве примеров зависимости от мощности дозы укажем взаимодействие
радикалов и возбужденных состояний, что приводит к зависимости выхода радика-
лов от Р [15]; и сшивание полимеров, которое осуществляется в результате рекомби-
ГЛАВА 1.7 ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...221
нации макрорадикалов. Если радикалы расходуются только на сшивание полимера,
то концентрация сшивок пропорциональна мощности дозы. Однако радикалы могут
участвовать в других процессах, например, взаимодействовать с другими продуктами
радиолиза.
Процессы массопереноса продуктов радиолиза
В результате радиационного воздействия в полимерных материалах образуется
значительное количество газообразных продуктов, которые могут принимать участие
в химических реакциях и диффундировать из объема полимера. Анализ кинетических
уравнений, описывающих эти процессы, показывает, что могут реализоваться сле-
дующие предельные случаи, определяемые соотношением времени диффузии газов
(т ~ /2/6&D) и времени облучения (/ = DIР), где / - характерный размер образца, kD -
коэффициент диффузии, D и Р - поглощенная доза и мощность дозы. Если т то
влиянием мощности дозы на радиационные эффекты, обусловленные процессами
массопереноса, можно пренебречь - газы не влияют на радиационно-химические
процессы, потому что успевают выйти из объема. В противном случае характер ра-
диационных изменений будет зависеть от мощности дозы. Газообразные продукты
радиолиза могут оказывать влияние на радиационные изменения различных свойств
полимеров и, в частности, на сшивание и деструкцию. Например, водород, метан
приводят к ускорению гибели макрорадикалов, осуществляя эстафетную передачу
свободной валентности. Существенно, что гибель макрорадикалов может приводить
как к сшиванию макромолекул в результате рекомбинации, так и к образованию
двойных связей при диспропорционировании макрорадикалов. В присутствии водо-
рода более эффективна реакция диспропорционирования. Это значит, что в рассмот-
ренных выше случаях может наблюдаться различная эффективность сшивания, при-
водящая к изменению функциональных свойств.
Процессы массопереноса могут привести к зависимости радиационных эффектов
от мощности дозы и в том случае, когда газообразные продукты радиолиза не участ-
вуют в химических реакциях. Газообразные продукты радиолиза могут выходить из
объема или собираться в виде пузырьков (кластеров) в дефектных местах полимера.
В последнем случае накопление газов может приводить к разрыву сплошности, обра-
зованию пузырьков, трещин и т. п. Направленность процесса будет определяться
конкуренцией процессов микро- и макродиффузии, скоростью генерации газов
(мощность поглощенной дозы), концентрацией центров нуклеации (зародышей пу-
зырьков газовой фазы), физическим состоянием полимера, скоростью релаксацион-
ных процессов, растворимостью радиолитических газов в полимере, размерами об-
разца. Эти эффекты были обнаружены в [16, 17] при исследовании обратимых радиа-
ционных эффектов в теплоемкости полимеров.
Релаксационный характер процессов радиационного изменения свойств полимерных
материалов
Облучение приводит к возникновению в полимере неравновесных состояний
(возбужденные состояния молекул, радикалы, ионы и др.), которые имеют опреде-
ленное время жизни (релаксируют к равновесному состоянию с характерным вре-
222
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
менем), чаще всего зависящее от температуры. Существование неравновесных со-
стояний, во-первых, непосредственно изменяет некоторые свойства полимерных
материалов (оптические, электрофизические, химические) и, во-вторых, является
причиной изменения свойств материала в процессе релаксации. Степень изменения
этих свойств в результате релаксации будет зависеть от того, насколько неравно-
весна система. Скорость нарушения равновесия пропорциональна мощности по-
глощенной дозы Р с коэффициентом пропорциональности G:
dC4dt=GP-C4x,
где С* - концентрация неравновесных состояний, т - время релаксации, G - радиа-
ционно-химический выход неравновесных состояний. Предполагается, что G не за-
висит от мощности дозы. В процессе облучения устанавливается квазиравновесная
концентрация неравновесных состояний:
С* = СРт,
которая определяется конкуренцией процессов генерации и гибели.
Если говорить о необратимых эффектах, то при проведении ускоренных испы-
таний необходимо обеспечить равную концентрацию неравновесных состояний:
С* = С*
'«-'у
Это значит, что при увеличении мощности дозы нужно соответственно увеличить
скорость релаксационных процессов, т. е. уменьшить время релаксации:
ту — тн {PJРу)-
Неравновесные состояния, возникающие при облучении полимеров, связаны с
образованием промежуточных активных частиц, имеющих различную природу,
участвующих в разных химических процессах и, вообще говоря, имеющих разное
время релаксации. Например, времена жизни электронно-возбужденных молекул
составляют 10"7-10"8 с, заряженных частиц - изменяются в очень широких преде-
лах и при низких температурах (например, при 77 К) могут достигать нескольких
часов. В еще большем интервале изменяются времена жизни макрорадикалов, не-
которые из них могут сохраняться даже при 300 К в течение нескольких лет. Это
значит, что при проведении ускоренных испытаний практически невозможно обес-
печить сохранение концентрации неравновесных состояний по разным частицам,
имеющим разные времена релаксации и разную энергию активации релаксацион-
ного процесса.
Однако возможен следующий приближенный подход, основанный на сравнении
концентрации неравновесных состояний и их вклада в изменение эксплуатацион-
ных свойств. Например, если времена жизни неравновесных состояний малы, то,
следовательно, низки их концентрации и их вклад в изменение свойств в процессе
релаксации после прекращения облучения, так как основные процессы заканчива-
ются во время облучения. Поэтому нужно сравнить количество образовавшихся за
время экспозиции частиц Сэ и стационарную концентрацию С*. Если С*«:СЭ, то
процессами релаксации можно пренебречь.
ГЛАВА 1.7
ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...
223
1.7.4. Температурная зависимость радиационной стойкости
В условиях космоса поверхности КА находятся в состоянии повторяющихся
циклов нагревания до 420 К и охлаждения до 120 К. При облучении температура
может по-разному влиять на изменения свойств материалов в процессе облучения
и в пострадиационный период [1,3,4]. Поглощенная энергия ионизирующих
излучений расходуется на необратимые- химические изменения материала и излу-
чательные процессы, но большая ее часть переходит в тепло, что приводит к повы-
шению температуры материала (радиационный разогрев). При облучении в услови-
ях, приближенных к условиям адиабатического режима, температура материалов
может повышаться на несколько десятков и даже сотен градусов. Так, например,
нагрев материала при облучении импульсным низкоэнергетическим рентгенов-
ским излучением определяется длительностью импульса и теплопроводностью
материала. При низкой теплопроводности материала вся поглощенная энергия вы-
деляется в виде тепла только в тонком слое, который может расплавиться и испа-
риться.
Образование большей части стабильных продуктов при радиолизе природных и
синтетических полимеров, композиционных материалов и др. существенным обра-
зом зависит от температуры, при которой проводится облучение. Как правило, ра-
диационная стойкость материалов выше, если проводить облучение при более низ-
ких температурах. Например, для некоторых полимерных материалов при пониже-
нии температуры от 470 до 77 К радиационная стойкость возрастает в 5-10 раз.
Для целого ряда полимерных материалов процесс радиационной деградации в
зависимости от температуры принято делить на радиационную, радиационно-
термическую и термическую области. Соответственно, по мере повышения темпе-
ратуры радиационная стойкость материалов непрерывно понижается. Температура,
при которой проводится облучение, также существенно влияет на образование про-
странственной сетки при сшивании полимеров, на кристалличность и аморфность
полимеров, снижает молекулярную массу, изменяет молекулярно-массовое распре-
деление полимеров и т. д., что проявляется в изменениях механических, электрофи-
зических, теплофизических и других свойств полимерных материалов.
Радиационные изменения оптических свойств, а также электрической проводимо-
сти в зависимости от температуры могут иметь обратимый или необратимый харак-
тер. Если облучение проводить при низких или умеренных температурах, то во мно-
гих полимерных материалах в значительных концентрациях накапливаются заряжен-
ные частицы (электрон-катионные пары, анион- и катион-радикалы, избыточные
электроны), комплексы с переносом заряда, свободные радикалы и другие интер-
медиаты. При повышении температуры происходит термическое освобождение заря-
дов в результате растормаживания определенных видов молекулярных движений. В
частности, это обуславливает появление так называемого термостимулированного
тока, который может значительно превышать исходный радиационный ток, а также
радиотермолюминесценции. Такой типичный представитель радиационно-деструкти-
рующих полимеров, как полиметилметакрилат, после облучения при резком охлаж-
дении может претерпевать взрывное разрушение.
224
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
При прогнозировании срока службы полимерных материалов обычно использует-
ся принцип температурно-временной суперпозиции, который устанавливает эквива-
лентность воздействия температуры и продолжительности воздействия. В работе [4]
предложено распространить этот принцип на условия радиационного старения поли-
меров, и обоснована его применимость при экстраполяции результатов, полученных
при высокой мощности дозы, на условия эксплуатации при низкой мощности дозы.
Подход, лежащий в основе суперпозиции «время - температура - мощность погло-
щенной дозы», иллюстрирует рис. 1.7.6, на
Рис. 1.7.6. Принцип суперпозиции
«время - температура - мощность
поглощенной дозы» [4]
котором приведены зависимости дозы экви-
валентного повреждения полимера (ДЭП) (за
ее меру условно принято снижение удлине-
ния на 50%) от мощности дозы для несколь-
ких повышенных температур (ТЬТ2, Т3). В
точках пересечения (ai,bbCi) изодозных
линий (пунктир) и изотермических кривых
отношение времен при двух различных
температурах соответствует точкам инвер-
сии отношений мощностей поглощенных
доз для тех же двух температур. Это озна-
чает, что если эмпирически определяется
функциональное соотношение между вре-
менем и температурой при изодозных усло-
виях, то такое же функциональное соотно-
шение будет иметь место и между мощно-
стью дозы и температурой. При выполнении этого условия можно проводить изодоз-
ную экстраполяцию к большим временам, что эквивалентно условиям облучения при
более низких мощностях доз. На рис. 1.7.6 экстраполяция точек (abbb Ci) температур
(Г1}Г2,Г3) дает точку ф для заданной температуры Тэ. Точка ф представляет собой
наложение точек ab bb Ci после сдвига каждой из них вдоль оси абсцисс (мощности
дозы) в результате умножения отвечающих им времен на соответствующий сдвиго-
вый коэффициент. Аналогичным образом получается точка d2.
Принцип суперпозиции «время - температура - мощность дозы» позволяет экст-
раполировать результаты, полученные при облучении излучениями с высокой мощ-
ностью дозы, на условия эксплуатации при низкой мощности дозы.
1.7.5. Оптические свойства полимерных материалов, облученных
ионизирующими излучениями
Для понимания процессов, происходящих при фоторадиационном воздействии,
существенное значение имеет знание оптических свойств как исходных, так и облу-
ченных полимерных материалов. Оптические характеристики полимерных материа-
лов определяются главным образом электронным строением молекул основного ве-
щества и примесей. Макромолекулы ряда полимеров (полиэтилена, полипропилена,
политетрафторэтилена и др.) не содержат хромофорных групп, поглощающих в ви-
ГЛАВА 1.7 ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...225
димой и УФ-области спектра. Однако реальные полимерные материалы содержат
примеси, остатки катализаторов, технологические и другие добавки. Кроме того, в
процессе переработки и хранения полимеры подвергаются химическим превращени-
ям, приводящим к образованию хромофорных групп. Поэтому обычно они имеют
оптическое поглощение, особенно в УФ-области спектра.
В результате радиационного воздействия оптический спектр поглощения мате-
риалов существенно изменяется из-за образования продуктов радиолиза. Обратимые
изменения оптических свойств обусловлены в основном образованием промежуточ-
ных активных частиц - возбужденных состояний молекул, заряженных частиц, сво-
бодных радикалов, комплексов с переносом заряда и др. Гибель активных частиц в
различных процессах приводит к исчезновению наведенного оптического поглоще-
ния. Необратимые изменения свойств вызваны образованием или разрушением при
радиационном воздействии различных хромофорных групп - двойных связей, со-
пряженных двойных связей, полиенов, кислородсодержащих групп и т. п.
Особенность оптических свойств промежуточных активных частиц состоит в том,
что частицы поглощают свет в более длинноволновой области по сравнению с ис-
ходными молекулами, и их поглощение характеризуется высокими коэффициентами
экстинкции - 103-105 дм3-моль"1-см"1. Это обусловлено электронным строением про-
межуточных активных частиц. Электронное строение катион- и анион-радикалов, а
также свободных радикалов характеризуется частично заполненными орбиталями. В
свободных радикалах имеется дополнительная несвязывающая орбиталь. Из-за появ-
ления таких орбиталей возникают новые электронные переходы, которых нет в ис-
ходной молекуле. При образовании промежуточных активных частиц из молекул эти
переходы и будут ответственны за появление нового спектра оптического поглоще-
ния. Следует отметить одну особенность электронного строения радикалов, анион- и
катион-радикалов, заключающуюся в том, что их основное и первое возбужденное
состояния являются дублетными. Для анионов, катионов и молекул основное состоя-
ние - синглетное, а возбужденные состояния являются триплетными или синглетны-
ми. Такое различие в мультиплетности электронных состояний промежуточных ак-
тивных частиц может проявляться в процессах переноса энергии возбуждения, вре-
менах жизни и путях дезактивации низших возбужденных состояний. Сведения об
оптическом поглощении активных частиц содержатся в справочниках [1, 3].
Для определения роли активных частиц в фоторадиационных процессах оценим
энергию, вносимую ими за счет поглощения излучения оптических частот. Она опре-
деляется соотношением:
Е = г[С\ПЕъ
где £ - коэффициент экстинкции; [С] - стационарная концентрация частиц; / - тол-
щина образца; I - световой поток в области оптического поглощения; Е\ - средняя
энергия фотонов. Стационарная концентрация частиц равна [С] = GPx, где Р - мощ-
ность дозы, G - радиационно-химический выход их- время жизни активных час-
тиц. Для частиц со «средними» параметрами (8=10 дм3-моль"1-см"1, G = 1, т = 105 с)
при Р = 0,01 Гре"1 и нормальной солнечной освещенности на орбите Земли
(/« 1016 см”2-с-1) энергия, подводимая в материал за счет поглощения промежуточ-
ными активными частицами солнечного излучения, в 10-100 раз превосходит по-
226 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
глощенную энергию ионизирующих излучений. Таким образом, в результате воздей-
ствия ионизирующих излучений в органических материалах создается новый канал
поступления энергии более низкоэнергетического излучения. Энергия, поступающая
по этому каналу, в ряде случаев может существенно превосходить энергию, поступа-
ющую за счет поглощения ионизирующего излучения. Эта дополнительная энергия
диссипирует в тепло или расходуется на инициирование химических реакций.
1.7.6. Фотохимические реакции промежуточных активных частиц
Изменения свойств органических материалов при фоторадиационном воздействии
в значительной степени связаны с фотохимическими реакциями активных частиц,
образующихся в результате поглощения энергии ионизирующих излучений. Направ-
ленность и эффективность фотохимических реакций зависит от природы активных
частиц, строения молекул, спектрального состава света и температуры.
Свободные электроны, образовавшиеся в результате ионизации, захватываются
ловушками и стабилизируются в твердых матрицах [1, 18]. При облучении видимым
светом и ИК-излучением захваченные электроны освобождаются из ловушек и ре-
комбинируют с положительными ионами. Энергия, выделившаяся при рекомбина-
ции, трансформируется в тепло, люминесценцию или идет на образование свободных
радикалов.
При возбуждении светом свободные радикалы вступают в реакции диссоциации,
замещения и изомеризации, а также могут претерпевать ионизацию и сенсибилизи-
ровать реакции распада химических связей. Если у свободного радикала имеется не-
сколько типов электронных переходов, то при их возбуждении могут происходить
фотохимические реакции разного типа. Их особенностью является соблюдение прин-
ципа сохранения свободной валентности. Подробное рассмотрение фотохимических
реакций свободных радикалов в полимерных соединениях проведено в [2,4-6].
В результате фотодиссоциации свободного радикала распадается химическая связь.
В случае макрорадикалов разрыв связи в основной или боковой цепи приводит к об-
разованию макрорадикалов или низкомолекулярных радикалов. Так, при фотодиссо-
циации концевых алкильных макрорадикалов в полиэтилене (ПЭ) образуются ме-
тильные или концевые макрорадикалы:
~СН = СН2+СН3
~СН2СНСН3 —
~СН2СН2+С2Н4
При фотодиссоциации срединных макрорадикалов разрывается полимерная цепь:
~СН2СНСН2------!^->~СН2СН2 +с2 =снсн2~
Квантовый выход реакции фотодиссоциации Ф зависит от энергии кванта света и
размеров радикалов, образующихся при разрыве связи. В ПЭ квантовые выходы раз-
рыва связи С-С основной цепи, отрыва метильного радикала и атома Н образуют ряд:
®с-с < ®сн3 < Фн
Фотохимическая реакция замещения является бимолекулярной реакцией. Ее ме-
ханизм состоит в возбуждении свободных радикалов светом и последующем отрыве
ГЛАВА 1.7 ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...227
возбужденными радикалами атомов водорода от окружающих молекул. Такая реак-
ция протекает, например, при действии света на пероксидные радикалы:
ROO —ROO* + HR] —ROOH + RJ
Она аналогична темновой реакции пероксидных радикалов, однако протекает с
большей скоростью из-за активации радикалов светом. Реакцией замещения объяс-
няют также превращение аллильных и алкильных радикалов в низкомолекулярных
соединениях.
В результате реакции фотоизомеризации меняется строение радикалов или кон-
формация и, как правило, повышается их реакционная способность. Фотоизомери-
зация радикалов требует синхронного перемещения большого числа молекул окру-
жения, что в твердой фазе затруднительно. Реакцией фотоизомеризации, например,
объясняют превращение аллильных и полиенильных радикалов под действием
УФ-света в алкильные в полиолефинах и обратимые превращения радикалов в серо-
органических соединениях.
Квантовые выходы фотохимических реакций свободных радикалов на примере
некоторых соединений при 77 К приведены в табл. 1.7.4.
Таблица 1.7.4
Квантовые выходы фотохимических реакций свободных радикалов [2, 6]
Соединение Реакция X, нм Ф
Этанол ФОТОДИССОЦИАЦИЯ СН3СО -> СН3 + СО 546 0,4 ±0,1
СНзСНОН -> СН3СНО + Н 310 0,3 ± 0,2
Полиэтилен ~СН2СНСН2~ -> ~сн = снсн2 + н <300 0,2
~СН2СНСН2~ -> СН2СНСН3 + сн2 = сн~ <300 0,008
~СН2СН = сн2 + сн3 300 0,004
~СН2СНСН3~ -> ~СН2СН2СН2+СН4 <300 0,001
Политетрафторэтилен ~CF2CF(OO)CF~ -> ~CF2CF2 + 2CF2O + cf3cf2~ <280 0,1
-CF2CF2O2~ -> ~CF2CF2 + 2CF2O <280 1 (300 К)
Полиэтилен ФОТОЗАМЕЩЕНИЕ ROO 4- RH -> ROOH + R <280 0,3
Дейтерополиэтилен ROO + RD -> ROOD + R <280 0,2
ФОТОИЗОМЕРИЗАЦИЯ (CH3)2CSS(H)CC(CH3)3- | 0,08
Этанол ФОТОИОНИЗАЦИИЯ | СНзСНОН -> СНзСНОН 4-etr 1 254 1 1,5-10’3
Полиэтилен ФОТОСЕНСИБИЛИЗАЦИЯ ~CH2CHCH2~ hv -> ~CH2CH2CH2~ 215 0,1
-> ~CH2CHCH2~ + н ~СН2СН2СН2~ + н -> ~СН2СНСН2~ -> н2
228 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.7.7. Образование свободных радикалов и фоторадикальные цепные реакции
Фоторадиационные процессы, протекающие в полимерных материалах, зависят
от параметров ионизирующих излучений (вида излучения и мощности дозы), тем-
пературы и химического состава окружающей среды, от характеристик оптическо-
го излучения (интенсивности, спектрального состава), а также от оптических
свойств материала (спектра поглощения, коэффициента экстинкции и т. п.) и про-
дуктов его радиолиза. Наиболее подробно изучены процессы в случае, когда оптиче-
ское излучение не поглощается исходным материалом или когда фотохимическими
процессами в нем можно пренебречь. При фоторадиационном воздействии образова-
ние радикалов происходит за счет двух источников энергии - ионизирующего излу-
чения и света.
Свет поглощается как исходным веществом, так и продуктами радиолиза, в частно-
сти промежуточными активными частицами. Закономерности образования свободных
радикалов при фоторадиационном воздействии можно охарактеризовать разностью и
отношением концентраций радикалов при одновременном [7?]0 и последовательном
[7?]п действии ионизирующего излучения и света [4, 19]:
А[7?] = [7?]0 - [7?]п и а = [7?]О/[7?]П.
Из анализа значений А[7?] и а, установленных для ряда полимерных материалов,
отличающихся химическим строением и природой стабилизирующихся активных
частиц, следует, что фоторадиационный эффект наиболее значителен в веществах, в
которых в больших количествах стабилизируются ион-радикалы и захваченные элек-
троны [19]. При последовательном воздействии концентрация парамагнитных цен-
тров растет практически линейно с поглощенной дозой, а при одновременном накоп-
лении характеризуется кривой с насыщением. Существенно, что в полимерных мате-
риалах, подвергнутых фоторадиационному воздействию, стабилизируются, как
правило, радикалы другой структуры, чем при облучении только ионизирующим из-
лучением. Это обусловлено фотохимическими превращениями радикалов и других
активных частиц, образующихся при радиолизе.
Образование свободных радикалов при фоторадиационном воздействии объясня-
ется действием света на заряженные частицы или возбуждением триплетных состоя-
ний молекул. Участие триплетных состояний молекул в фоторадиационном образо-
вании макрорадикалов, по-видимому, может играть значительную роль при одновре-
менном действии ионизирующих излучений и света, поскольку реальные материалы
всегда содержат молекулы примесей, стабилизаторов, антирадов и т. п., которые, как
правило, содержат ароматические фрагменты. Это значит, что при фоторадиацион-
ном воздействии эффективность антирадов на основе ароматических соединений мо-
жет снижаться.
Как было показано выше, при действии света на свободные радикалы протекают
фотохимические реакции с сохранением свободной валентности, приводящие к обра-
зованию стабильных химических продуктов и макро- или низкомолекулярных ради-
калов. Радикалы могут вступать в темновые (термические) реакции с молекулами
вещества, в результате чего могут воссоздаваться первоначальные свободные ради-
калы, т. е. в полимерных соединениях могут протекать своеобразные цепные реак-
ГЛАВА 1.7 ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...229
ции, получившие название цепных фоторадикальных реакций [2, 5, 6]. В общем виде
совокупность протекающих фотохимических и термических реакций свободных ра-
дикалов можно описать следующей схемой:
Инициирование цепи
при радиолизе
Д ——> R2 + Продукт
R2 + М----> Rx + Продукт
Rx + R2---> R2 - Rx
Продолжение цепи
при воздействии света
Rx 4- Rx------> Rx — Rx
Обрыв цепи
Кинетические уравнения, описывающие протекание цепной неразветвленной
фоторадикальной цепной реакций, идентичны при формальном кинетическом рас-
смотрении поглощенного кванта света в качестве одного из реагентов [2, 5, 6].
Цепные фоторадикальные реакции протекают при условии:
еФт/ »1,
где 8 - коэффициент экстинкции радикалов; Ф - квантовый выход фотохимической
реакции радикалов; I- интенсивность света; т - время жизни радикалов. Физический
смысл этого соотношения состоит в том, что за время жизни радикала должен про-
изойти хотя бы один акт фотохимической реакции. С помощью этого соотношения
можно оценить возможность протекания цепных фоторадикальных реакций в раз-
личных условиях эксплуатации материала. При низких температурах т = 104-106 с, и
цепные фоторадикальные реакции реализуются практически при всех реальных зна-
чениях е, Ф и интенсивности света 7» 1016 см"2-с-1. При повышенных температурах
из-за уменьшения времени жизни радикалов роль фоторадикальных цепных реакций
снижается. Характерной их особенностью
является то, что лимитирующей стадией
реакции обрыва цепи является реакция про-
должения цепи, поскольку в каждом элемен-
тарном акте происходит перемещение сво-
бодной валентности в результате протекания
фотохимической реакции.
Эта особенность отчетливо проявляется
при последовательном облучении сначала
ионизирующими излучениями, а затем све-
том. В этом случае происходит уменьшение
концентрации радикалов - фоторекомбина-
ция радикалов (рис. 1.7.7).
Важной характеристикой фоторадикаль-
ной цепной реакции является кинетическая
длина цепи v, определяемая соотношением:
v = WpIWi = ‘SIQ.t&? [Я]),
Рис. 1.7.7. Кинетика фоторекомбинации
пероксидных макрорадикалов
в политетрафторэтилене при 300 К
на воздухе при разных значениях
интенсивности света I
230
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
о
2
Рис. 1.7.8. Зависимость кинетической длины
фоторадикальной цепной реакции при 77 К от
времени облучения: 1 - в полиизобутилене;
2 - в поливинилацетате
4 /, 102 мин
где Wp - скорость продолжения цепи; Wt -
скорость обрыва цепи реакции; X - сме-
щение свободной валентности; [7?] - теку-
щая концентрация радикалов. Для оценки
длины цепи фоторадикальной цепной
реакции v чаще всего используют отно-
шение количества образовавшихся про-
дуктов к количеству радикалов, реком-
бинировавших к этому времени. При
последовательном действии ионизи-
рующего излучения и света длина цепи
зависит от времени облучения светом
(рис. 1.7.8).
Пространственное распределение про-
дуктов фоторадикальных цепных реак-
ций зависит от направления и величины
смещения свободной валентности в ходе реакций X. Если смещение свободной ва-
лентности происходит в результате переноса валентности низкомолекулярными
радикалами, такими, как Н, СН3, то пространственное распределение продуктов
близко к изотропному, и величина радиуса зоны, где сосредоточены продукты фо-
торадикального превращения вещества, определяется выражением:
o'sXv0'5.
Как правило, в полимерных материалах одновременно может протекать не-
сколько типов цепных фоторадикальных реакций, отличающихся строением сво-
бодных радикалов, участвующих на стадиях продолжения цепи. Одной из причин
этого является способность одних и тех же радикалов при возбуждении светом
претерпевать разные реакции. Такое своеобразное разветвление цепных фоторади-
кальных реакций существенно усложняет процессы фоторадиационных превраще-
ний полимерных материалов и увеличивает набор продуктов их реакций. В качест-
ве примера рассмотрим фоторадикальныс цепные реакции в ПЭ, при облучении
которого ионизирующими излучениями образуются преимущественно срединные
алкильные макрорадикалы ~СН2СНСН2~. Поглощая кванты УФ-излучения, эти
макрорадикалы сенсибилизируют распад связей С-Н, при этом образуются сшивки
или двойные связи и атомы водорода, которые, отрывая атом Н от макромолекулы,
регенерируют исходные макрорадикалы:
~СН2СНСН2----^-»~СН2СН = СН~ + Н Ф = 0,2
н+~СН2СН2СН2------>~СН2СНСН2~+н2
~СН2СНСН2----~СН2СНСН2~
+ Н Ф = 0,1
~СН2СН2СН2---~СН2СНСН2~
Н + ~СН2СН2СН2---->~СН2СНСН2~ + Н2
ГЛАВА 1.7
ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...
231
Другое направление фотохимической реакции возбужденного срединного макро-
радикала - распад связи С-С макромолекулы. При этом образуются концевые макро-
радикалы - ~СН2СН2:
~СН2СНСН2--~СН2СН2 + сн2 = сн2 ~
Ф = 0,008
~сн,сн+~СН2СН2СН2--> ~СН2СН2~ + ~СН2СНСН2~
X XXX XX XX
Концевые макрорадикалы СН2СН2~ участвуют не только в реакции отрыва ато-
ма Н, но могут также изомеризоваться в радикалы ~СН2СНСН3. Макрорадикалы
~СН2СНСН3 при возбуждении светом диссоциируют по двум направлениям - с от-
щеплением метильного радикала или молекулы этилена. Это обусловливает проте-
кание следующей цепной реакции:
~СН2СНСН3---
~СН2СН + С2Н4
~сн = сн2+сн3
сн3 + ~СН2СН2СН2----> сн4 + ~СН2СНСН2~
Таким образом, разветвление цепной реакции происходит несколько раз - при
реакции возбужденных срединных алкильных макрорадикалов ~СН2СНСН2~, в ре-
акциях взаимодействия концевых радикалов СН2СН2~ и возбужденных концевых
радикалов ~СН2СНСН3.
1.7.8. Фоторадиационпые превращения полимерных материалов
Полученные экспериментальные данные об особенностях процессов сшивания,
деструкции и газовыделения, происходящих при фоторадиационном воздействии,
указывают на изменение эксплуатационных свойств полимерных материалов.
Фоторадиационное сшивание
Некоторые из протекающих при фотора-
диационном воздействии цепные реакции
приводят к образованию межмолекулярных
связей, т. е. к сшиванию полимеров. Это
наблюдали в ПЭ, поликапроамиде, полиак-
риловой кислоте, поливинилпирролидоне и
поливиниловом спирте. Выход сшивания
при фоторадиационном воздействии, в от-
личие от радиационного, зависит от мощ-
ности дозы [4]. При фоторадиационном воз-
действии доза гелеобразования сдвигается в
область малых значений, и повышается пре-
дельное содержание гель-фракции. Особен-
ностью фоторадиационного сшивания яв-
ляется пространственная неравномерность
распределения сшивок, что проявляется, в
Рис. 1.7.9. Зависимость содержания гель-
фракции q в ПЭ низкой плотности от
поглощенной дозы D: 1 - у-излучение;
2, 3 - последовательное и одновременное
действие у-излучения и УФ-излучения
соответственно [4]
232
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
частности, в отклонении кинетики фоторадиационного сшивания от известного
уравнения Чарлзби-Пиннера, применяемого для описания радиационного сшива-
ния полимеров. Пример зависимости сшивания от поглощенной дозы при фотора-
диационном воздействии приведен на рис. 1.7.9.
Фоторадиационная деструкция
Фотодиссоциация свободных радикалов является преобладающей фотохими-
ческой реакцией. Однако квантовый выход фотодиссоциации связи С-С основной
полимерной цепи относительно невелик (0,01-0,001) из-за протекания других кон-
курирующих реакций. Фоторадиационная деструкция установлена в ПЭ, поли-
винилбутирали, поливинилкарбонате, полиформальдегиде, полиизобутилене и по-
литетрафторэтилене. Срединные макрорадикалы, образовавшиеся в результате
фотохимических реакций макрорадикалов, могут претерпевать термическую дест-
рукцию при нагревании. В полиметилметакрилате (ПММА), поливинилацетате
срединные макрорадикалы диссоциируют при комнатной температуре с разрывом
основной цепи. На такой механизм процесса указывает сильная температурная за-
висимость скорости фоторадиационной деструкции и корреляция изменения моле-
кулярной массы ПММА с числом циклов облучения УФ-светом при 77 К, нагрева
до 300 К и охлаждения до 77 К.
Фоторадиационная деструкция может протекать также вследствие образования в
ходе цепных фоторадикальных реакций фотохимически нестойких групп. Так, в по-
ливиниловом спирте одним из продуктов фоторадиационного воздействия являются
карбонильные группы, разрушение которых под действием света обуславливает де-
струкцию полимера.
Фоторадиационная деструкция органических материалов существенно ускоря-
ется в присутствии кислорода. В политетрафторэтилене (ПТФЭ) срединные и кон-
цевые макрорадикалы фотохимически стабильны, в то время как пероксидные мак-
рорадикалы, образующиеся в результате присоединения к ним кислорода, диссо-
циируют при облучении светом с X < 280 нм с квантовым выходом ~1 при
300 К [2]. В ходе этой цепной реакции существенное изменение молекулярной мас-
сы полимера происходит на первой стадии при фотодиссоциации срединного пе-
роксидного макрорадикала.
В углеводородных полимерах ускорение деструкции при фоторадиационном воз-
действии в присутствии кислорода связано с тем, что электронно-возбужденные пе-
роксидные макрорадикалы могут вступать в реакцию, приводящую к разрыву С-С
связи и образованию высокоактивных радикалов ОН, которые, реагируя с полиме-
ром, регенерируют алкильные макрорадикалы. Таким образом реализуется цепная
фоторадикальная реакция.
Фоторадиациоппое газовыделен не
Об интенсивности и направленности процесса деструкции полимерных материа-
лов можно судить на основании количества и состава газообразных продуктов. В
табл. 1.7.5 сопоставлен состав летучих продуктов при радиационном и фоторадиаци-
онном воздействии на некоторые полимеры.
ГЛАВА 1.7
ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...
233
Таблица 1.7.5
Состав летучих продуктов, образующихся в полимерах
при радиационном и фоторадиационном воздействиях в вакууме [1,4]
Полимер Воздействие
радиационное фоторадиационное
Н2 (97%) Н2 (94%)
Полиэтилен СН4 (1,5%) СН4 (5%)
С2Н4(1,5%) С2Н4(1%)
Политетрафторэтилен фторалканы СБгО0
Полиуретан Н2 (99%) СО и С02
Полиоксиметилен Н2 (99%) Н2 и СО
° При облучении на воздухе.
Образование газообразных продуктов при фоторадиционном воздействии можно
представить в виде следующей упрощенной схемы:
М —-—> R радиолиз
R\ + Gx
R ———> облучение светом
г.+М,
M + r(Rt)--->R + G2
где R, - макрорадикалы различного строения; г - низкомолекулярные радикалы;
М- макромолекулы; G\ и G2 - газообразные продукты. В соответствии с этой схемой
фотодиссоциация макрорадикалов приводит к образованию макрорадикала и газооб-
разного продукта или низкомолекулярного радикала и фрагмента макромолекулы.
Низкомолекулярный радикал в химической реакции превращается в газообразный
продукт и создает макрорадикал исходного или другого строения. Таким образом,
газообразные продукты возникают в процессе цепной фоторадикальной реакции.
Поэтому эффективность газообразования определяется длиной кинетической цепи
и, в соответствии с рассмотренными выше закономерностями цепных реакций, по-
вышается с уменьшением мощности дозы и увеличением интенсивности света при
одновременном действии ионизирующих излучений и света. Состав газообразных
продуктов зависит от структуры макрорадикалов, образующихся при радиацион-
ном и фоторадиационном воздействии. Если макрорадикал может претерпевать
фотодиссоциацию по нескольким направлениям, то отношение квантовых выходов
распада и, соответственно, выходов газообразных продуктов будет определяться
соотношением:
ф2
где V2 ~ объемы радикалов, образующихся при фотодиссоциации макроради-
калов [4].
234
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Комплексное воздействие радиации и различных физических и химических фак-
торов приводит к весьма значительному снижению радиационной стойкости ор-
ганических материалов, что обязательно следует учитывать при прогнозировании
работоспособности полимерных материалов в реальных условиях эксплуатации. На
радиационную стойкость органических материалов существенное влияние могут
оказывать такие физические воздействия, по отношению к которым в обычных ус-
ловиях, без облучения, материалы нечувствительны. Это обусловлено тем, что по-
сле поглощения ионизирующих излучений материалы становятся восприимчивыми
к энергетически более слабым воздействиям.
Из рассмотренных закономерностей фоторадиационных процессов следует, что
фоторадиационное воздействие носит синергетический характер, т. е. является неад-
дитивным, не сводится к сумме воздействий ионизирующего излучения и света. Под-
черкнем следующие особенности фоторадиационного воздействия, отличающие его
от радиационного. Для многих необратимых радиационных превращений полимер-
ных материалов поглощенная доза является, во многих случаях, однозначной мерой
радиационного воздействия. Например, число сшитых цепей или степень деструкции
полимеров при облучении ионизирующим излучением в вакууме однозначно опреде-
ляется поглощенной дозой. Особенность фоторадиационного воздействия состоит в
том, что результат зависит не только от поглощенной дозы ионизирующей радиации
и света, но и от мощности дозы, и от интенсивности света. Второй отличительной
чертой фоторадиационного воздействия является то, что характер и количество про-
дуктов фоторадиационного воздействия в значительной мере зависят от спектрального
состава света. Третья особенность - это значительная пространственная неравномер-
ность распределения продуктов, что обусловлено цепным характером превращения
полимерных материалов при фоторадиационном воздействии. Фотохимические реак-
ции свободных радикалов с достаточной эффективностью протекают при низких
температурах. Поэтому относительная эффективность фоторадиационного воздейст-
вия по сравнению с радиационным возрастает с понижением температуры.
Отмеченные особенности фоторадиационного воздействия на полимерные мате-
риалы указывают на необходимость введения нового показателя - «фоторадиацион-
ная стойкость» полимерных материалов. Не исключено, что радиационно-стойкие
материалы могут иметь низкую фоторадиационную стойкость. Это ставит проблему
поиска путей фоторадиационной стабилизации полимерных материалов и указывает
на необходимость учета влияния фоторадиационного воздействия при оценке рабо-
тоспособности полимерных материалов в условиях космоса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Радиационная стойкость органических материалов. Справочник. Под ред. Милинчука B.K., Тупико-
ва В.И. М.: Энергоатомиздат, 1986, 272 с.
2. Милинчук В.К., Клиншпонт Э.Р., Пшежецкий С.Я. Макрорадикалы. М.: Химия, 1980, 264 с.
3. Organic radiation chemistry handbook. Ed. Milinchuk V.K., Tupikov V.I. Ellis Horwood Lim., 1990, 385 p.
4. Милинчук В.К., Клиншпонт Э.Р., Тупиков В.И. Основы радиационной стойкости органических мате-
риалов. М.: Энергоатомиздат, 1994, 256 с.
ГЛАВА 1.7
ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...
235
5. Пшежецкий С.Я., Котов А.Г., Милинчук В.К., Рогинский В.А., Тупиков В.И. ЭПР свободных радика-
лов в радиационной химии. М.: Химия, 1972, 480 с.
6. Мельников М.Я., Смирнов В.А. Фотохимия органических радикалов. М.: Изд-во МГУ, 1994, 334 с.
7. ГОСТ 25645.321-87. Стойкость полимерных материалов радиационная. Термины и определения.
М.: Изд-во стандартов.
8. IEC 544 Electrical insulating materials - Determination of the effects of ionizing radiation. 544.3 Part 3: Test
procedures for permanent tests.
9. ГОСТ 9.706-81. Полимерные материалы. Методы испытания на радиационное старение. М., 1981.
10. Брискман Б.А., Сичкарь В.П., Красько Л.Б., Милинчук В.К. Влияние мощности дозы на радиационные
эффекты в полимерах. Химия высоких энергий, 1993, т. 27, с. 8-12.
11. The particle and ultraviolet radiation testing of space materials. ESA PSS-01-706, 1983.
12. Махлис Ф.А. Радиационная физика и химия полимеров. М.: Атомиздат, 1972, 328 с.
13. Briskman В.A., Klinshpont E.R., Stepanov V.F., Tlebaev К.В. Determination of dose rate effects in polymers
irradiated in vacuum. Journal of Spacecraft and Rockets, 2004, v. 41, No 3, p. 360.
14. Bol’bit N.M., Taraban V.B., Klinshpont E.R., Milinchuk V.K. Role of dose rate in accelerated tests of poly-
meric materials. Proc, of the 6th Intern. Symp. Mater. Space Envir., ESTEC, Noordwijk, The Netherlands,
1994, p. 59.
15. Больбит H.M., Тарабан В.Б, Клиншпонт Э.Р., Шелухов И.П, Милинчук В.К. Взаимодействие возбуж-
денных молекул с радикалами в полимерах при фото и радиационном воздействии. Химия высоких
энергий, 1999, т. 33, с. 198-203.
16. Бриксман Б.А. Инженерно-физический журнал, 1984, т. 46, № 5, с. 781.
17. Бриксман Б.А., Розман С.И., Вайсберг С.Э. Обратимые радиационные эффекты в теплоемкости поли-
меров. Высокомолекулярные соединения, 1984, т. А26, № 5, с. 1047.
18. Лисовская И.А, Милинчук В.К. Возбужденные и ионизованные состояния макромолекул при радиоли-
зе. Обзор инф. Сер. Радиационная стойкость органических материалов. М.: НИИТЭХИМ, 1979.
19. Жданов Г.С., Милинчук В.К. Фоторадиационные процессы. Обзор инф. Сер. Радиационная стойкость
органических материалов. М.: НИИТЭХИМ, 1980.
ГЛАВА 1.8
ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
Новиков Л.С., Милеев В.Н., Крупников К.К., Маклецов А.А.
НИИ ядериой физики МГУ
Список сокращений
ГСО геостационарная орбита
КА космический аппарат
СВА собственная внешняя атмосфера
ЭРД электроракетный двигатель
ЭСР электростатический разряд
ВВЕДЕНИЕ
В результате взаимодействия космического аппарата (КА) с окружающей кос-
мической плазмой на его поверхности образуется электрический заряд, знак и
величина которого определяются соотношением первичных токов электронов и
ионов плазмы и вторично-эмиссионных токов с поверхности КА, включая ток фо-
тоэлектронной эмиссии, вызываемой солнечным излучением. Образование элект-
рического заряда на КА влечет за собой появление разности потенциалов между
его поверхностью и окружающей плазмой. В окрестности КА возникает электриче-
ское поле, оказывающее влияние на движение первичных и вторичных заряженных
частиц. Равновесный (установившийся) потенциал КА относительно невозмущен-
ной окружающей плазмы определяется условием баланса токов на поверхности,
т. е. условием равенства нулю полного тока, текущего через поверхность КА.
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ 237
Изложенная упрощенная схема заряжения КА справедлива по отношению к телу с
достаточно высокой электропроводностью, на котором возможно свободное пере-
текание заряда и, соответственно, обеспечивается условие эквипотенциальности по-
верхности.
В такой постановке анализ электризации КА сводится по существу к задаче Ленг-
мюра о заряжении пробного тела (зонда) в плазме [1]. Однако применительно к кос-
мическим условиям эта задача значительно усложнена многокомпонентностью кос-
мической плазмы по температуре и составу, в некоторых случаях - анизотропией
плазмы по отношению к движущемуся КА, наличием вторичных токов с поверхности
КА, а также воздействием на КА, наряду с плазмой, потоков заряженных частиц высо-
кой энергии [2-4]. Роль последних в электризации КА рассматривается в гл. 1.10.
Реальный КА представляет собой сложную конструкцию с неоднородной струк-
турой и большим количеством диэлектрических материалов как на внешней поверх-
ности, так и во внутренних отсеках. В этой связи потенциалы отдельных участков
поверхности и элементов конструкции могут быть различными из-за отличия усло-
вий попадания потоков первичных частиц на эти участки и условий их освещения, а
также из-за отличия эмиссионных свойств материалов поверхности. Происходит так
называемое «дифференциальное» заряжение КА, при котором между отдельными
участками непроводящей поверхности возникают разности потенциалов. Понятие
«общее заряжение», справедливое по отношению к проводящему телу, применимо и
к реальному КА, однако в этом случае оно относится к среднему потенциалу КА,
определяемому совокупностью всех электрических зарядов, находящихся на поверх-
ности и элементах конструкции КА.
Из энергетических соотношений следует, что при воздействии на изолированное
тело потока заряженных частиц определенной энергии максимальный потенциал тела
составляет величину порядка энергии воздействующих частиц (в соответствующих
физических единицах). В многокомпонентной космической среде характерное значе-
ние максимального потенциала определяется энергией заряженных частиц, превали-
рующих в токовом балансе.
Очевидно, что потенциал и собственное электрическое поле заряженного КА
являются возмущающими факторами, которые необходимо учитывать во многих
случаях при проведении измерений параметров космической среды с помощью при-
боров, установленных на КА. С этой точки зрения явление электризации КА в кос-
мической плазме анализировалось еще в середине 1950-х гг. при разработке борто-
вых приборов для первых КА [5]. Тогда принимались во внимание потенциалы с
характерными величинами от долей до единиц вольт, что, как мы увидим далее, ти-
пично для случая заряжения КА в ионосфере. В условиях электризации КА помехи
измерениям создают также локальные паразитные токи и электромагнитные излуче-
ния, порождаемые электростатическими разрядами (ЭСР) [6, 7].
Как фактор, оказывающий серьезное неблагоприятное влияние на работу борто-
вых систем, электрическое заряжение КА стало систематически изучаться в начале
1970-х гг. при запусках КА на геостационарную орбиту (ГСО) - круговую экватори-
альную орбиту с высотой -36000 км, где параметры горячей магнитосферной плазмы
таковы, что значения потенциалов на КА достигают -(10-20) кВ [8-10]. При таких
238 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
потенциалах уровень помех, создаваемых ЭСР, весьма высок, а в некоторых случаях
ЭСР могут приводить к разрушению компонентов аппаратуры и элементов конст-
рукции.
За последнее десятилетие проведено несколько международных конференций
по проблеме электризации КА. Основные направления и тенденции развития ис-
следований в данной области отражены в трудах конференций [11-14]. Обобщен-
ные результаты наиболее важных исследований представлены в [15].
Настоящая глава посвящена рассмотрению физических закономерностей электри-
зации КА под действием окружающей космической плазмы и солнечного электро-
магнитного излучения с учетом возможного влияния на процесс электризации нейт-
ральных частиц собственной внешней атмосферы (СВА) КА и работы бортового
оборудования. Даны оценки типичных значений потенциала поверхности КА для
различных условий заряжения. Приведены результаты натурных исследований элект-
ризации КА на высоких и низких орбитах. Вопросы защиты КА от воздействия эф-
фектов электризации рассмотрены в гл. 2.7, 2.8.
1.8.1. Физические явления иа поверхности КА при электризации
1.8.1.1. Уравнение баланса токов на поверхности
Физический механизм заряжения КА в космической плазме можно наглядно
проиллюстрировать, записав уравнение для полного тока, текущего через поверх-
ность КА, в следующем виде [4, 16]:
J = - v\Jq + yJi + Jph), (1.8.1)
где JQ и Ji - электронный и ионный токи плазмы; 8, т|, у - коэффициенты истинной
вторичной электронной эмиссии, отражения электронов, ионно-электронной эмис-
сии; Jph - ток фотоэлектронной эмиссии.
Входящие в уравнение (1.8.1) составляющие полного тока разделяются на две ос-
новные группы: первичные токи и вторичные токи. Первичные токи обусловлены
непосредственным воздействием на поверхность КА электронов и ионов окружаю-
щей космической плазмы. Группа вторичных токов, представленная в уравнении
(1.8.1) в круглых скобках, включает в себя вторично-эмиссионные токи с поверхно-
сти КА, вызываемые воздействием первичных токов космической плазмы, а также
фотоэлектронный ток, обусловленный коротковолновым солнечным излучением.
Величины первичных и вторичных токов зависят от потенциала КА относи-
тельно окружающей космической плазмы, причем для вторичных токов эта зави-
симость проявляется и через изменение значений вторично-эмиссионных коэф-
фициентов, обусловленное изменением энергии первичных электронов и ионов.
Равновесное значение потенциала КА определяется из решения уравнения (1.8.1) при
условии 0.
Если рассматривать протекание через поверхность КА только первичных плаз-
менных токов, то при одинаковых значениях температуры и плотности электронной
и ионной составляющих плазмы равновесный потенциал будет отрицательным
вследствие более высокой тепловой скорости электронов. Вторично-эмиссионные
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ 239
токи могут значительно снизить абсолютную величину отрицательного потенциала и
даже поменять его знак. Обычно положительный потенциал возникает при условии
*^ph >
При рассмотрении дифференциального заряжения КА уравнение, аналогичное
(1.8.1), можно записать для любого участка поверхности, характеризуемого опре-
деленными значениями вторично-эмиссионных коэффициентов, условиями попа-
дания электронов и ионов окружающей плазмы на этот участок и условиями его
освещения. В этом случае уравнение (1.8.1) описывает локальный суммарный ток,
текущий через выбранный элемент поверхности, и с его помощью может быть оп-
ределен равновесный потенциал этого элемента. В общем случае в уравнение
должны быть включены дополнительные члены, описывающие токи утечки между
заряженной поверхностью диэлектрических покрытий и металлическим корпусом
КА и между соседними участками поверхности, имеющими разные потенциалы.
Величины указанных токов определяются собственной объемной и поверхностной
проводимостью диэлектрических покрытий и радиационной проводимостью, воз-
никающей при облучении диэлектриков.
В уравнение (1.8.1) могут войти также члены, описывающие дополнительные то-
ки, которые возникают за счет работы бортового оборудования КА (электроракетных
двигателей - ЭРД, инжекторов электронов и ионов и т. п.), за счет ионизации СВА
КА и некоторых других факторов.
Полное решение задачи о дифференциальном заряжении КА сопряжено, как пра-
вило, с применением достаточно сложных расчетных методов, которые будут рас-
смотрены в последующих разделах.
1.8.1.2. Особенности электризации КА в разных областях космического
пространства
Специфика электризации КА в разных областях космического пространства опре-
деляется в первую очередь параметрами присутствующей в этих областях плазмы:
температурой Т и концентрацией частиц и, от которых зависят величины всех со-
ставляющих в уравнении полного тока (1.8.1) [2, 10].
Важным масштабным параметром в задачах анализа электризации КА является
дебаевский радиус экранирования D. Для многокомпонентной космической плазмы
с параметрами 7), nj, функция распределения частиц которой представляется в виде
линейной комбинации максвелловских функций выражение для дебаевского
радиуса записывается в следующем виде:
( . (
В частности, в случае двухтемпературной плазмы, характерной для области ГСО,
получим:
( Tn Y1/2
D = DX 1+-Н- > (1.8.3)
I Т2п\)
где D\ - дебаевский радиус для плазмы с параметрами Т\,п\.
240
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Видно, что при выполнении условия ТуНг/Т^щ « 1 величина дебаевского радиуса
определяется фактически более холодной составляющей плазмы.
При анализе электризации КА в магнитосфере Земли выделяют два основных
случая: функционирование КА на высотах, измеряемых десятками тысяч километров
(ГСО, апогейные участки высокоэллиптических орбит), где на КА воздействует
сильно разреженная горячая магнитосферная плазма с температурой кТ ~ 104 эВ и
концентрацией частиц и - 0,1-1,0 см"3, и полет на низких околоземных орбитах в
окружении достаточно плотной холодной ионосферной плазмы (£Т~0,1 эВ,
п~ 104-106 см"3). Соответственно, в первом случае дебаевский радиус D~ 104см, а
во втором ~0,1 — 1,0 см.
В горячей магнитосферной плазме скорости теплового движения электронов и
ионов много больше орбитальной скорости КА, в силу чего воздействующие на
него потоки частиц являются изотропными. На процесс заряжения большое влия-
ние оказывают вторично-эмиссионные токи, в том числе ток фотоэлектронной
эмиссии, который обычно больше первичного электронного тока.
На низких околоземных орбитах (в ионосфере) энергия частиц плазмы невелика,
а концентрация частиц такова, что электронный ток плазмы превышает ток фото-
электронной эмиссии. В то же время вторично-эмиссионными токами можно пре-
небречь в силу весьма низкой энергии первичных частиц. Поэтому в ионосфере по-
верхность КА приобретает отрицательный потенциал -0,1-5 В. При заряжении КА в
ионосфере важную роль играет анизотропия воздействующего на него потока поло-
жительных ионов, обусловленная существенно большей величиной орбитальной ско-
рости КА (-8 км-с"1) по сравнению со средней скоростью теплового движения ионов
(-1 км-с"1). При этом скорость теплового движения ионосферных электронов
(-200 км-с"1) значительно превышает скорость орбитального движения КА, что обес-
печивает изотропный поток электронов на него.
Как сочетание двух представленных случаев электризации КА можно рассмат-
ривать электризацию низкоорбитальных КА в авроральных областях. При пересе-
чении зон высыпания авроральных частиц, энергии которых лежат в диапазоне
1-50 кэВ, формирование электрических зарядов на КА происходит в результате
одновременного воздействия этих частиц и холодной ионосферной плазмы.
Такой случай электризации КА наиболее труден для анализа из-за сложности
протекающих физических процессов. Кроме того, в этом случае воздействие потока
авроральных частиц на КА может быть кратковременным (-1-10 с) из-за быстрого
пересечения аппаратом узких зон высыпания авроральных частиц. Вследствие этого
равновесное значение потенциала может не достигаться.
Отмстим, что во всех рассмотренных выше случаях электризации электрические
потенциалы на КА обычно отрицательны.
Укажем еще некоторые характерные случаи электризации КА. Баланс токов на
поверхности может существенно меняться при возникновении дополнительных то-
ков за счет работы бортового оборудования. Так, при проведении активных экспери-
ментов в космическом пространстве с борта КА в окружающую плазму инжектиру-
ются интенсивные пучки электронов или ионов для изучения физических процессов
в магнитосферной плазме. Если ток, текущий из плазмы на поверхность КА, не ком-
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
241
пенсирует полностью уходящий заряд, КА может заряжаться до потенциала, соот-
ветствующего максимальной энергии инжектируемых частиц. В случае проведения
активных экспериментов с инжекцией электронного пучка в ионосферу эффектив-
ная компенсация избыточного заряда КА может обеспечиваться за счет возникно-
вения пучково-плазменного разряда в зоне инжекции. При проведении подобных
экспериментов на больших высотах необходимо принимать специальные меры для
компенсации избыточного заряда КА. Для этого можно применить инжекторы частиц
противоположного знака или источники плазмы. Последний случай реализуется при
работе на борту КА плазменных ЭРД. Дополнительные ионные токи на поверхность
отрицательно заряженного КА могут создаваться также за счет ионизации нейтраль-
ной газовой оболочки КА.
За пределами магнитосферы Земли электризация КА обусловлена одновремен-
ным воздействием на поверхность аппарата ультрафиолетового излучения Солнца и
плазмы солнечного ветра. Ток фотоэлектронной эмиссии в этих условиях является
преобладающей составляющей, поэтому поверхность КА вне магнитосферы обычно
заряжается положительно. Максимальная величина положительного потенциала
ограничена условием возврата фотоэлектронов к поверхности и может достигать
нескольких десятков вольт.
Основные параметры, характеризующие процессы электризации КА в разных
областях космического пространства, представлены в табл. 1.8.1. В таблице исполь-
зуются следующие обозначения: Н - высота орбиты, i - наклонение орбиты, ср - по-
тенциал.
Таблица 1.8.1
Параметры процессов электризации КА в разных областях космического пространства
Тип орбиты Н, км / z, град. ф, В Воздействующие факторы Угловое распреде- ление Роль эмиссионных процессов
Г еостационарная, апогейные участки высокоэллипти- ческих (типа ИСЗ «Молния») 36000/±1,5 40000/65 -(103-104) горячая плазма, солнечное излучение изо- тропное велика
Низкие 200-2000/ 0-70 -(0,1-5) холодная ионосферная плазма анизо- тропное пренебрежимо мала
Низкие полярные 200-2000/ >70 -(102-103) холодная ионосферная плазма, авроральные электроны, солнечное излучение анизо- тропное заметна
За пределами магнитосферы > (60-120) 103 +(5-20) солнечное излучение, плазма солнечного ветра анизо- тропное определяющая роль фото- электронной эмиссии
242
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.8.1.З. Вторично-эмиссионные процессы на поверхности КА
При рассмотрении электризации поверхности КА обычно принимают во внима-
ние вторично-эмиссионные процессы трех видов: выбивание электронов с поверхно-
сти падающими на нее электронами окружающей плазмы, ионами плазмы и имею-
щими достаточно высокую энергию квантами солнечного электромагнитного излу-
чения (преимущественно в УФ-области солнечного спектра) [3, 16]. Эти процессы
характеризуют вторично-эмиссионными коэффициентами [17, 18], представленными
в уравнении (1.8.1). Часто в прикладных задачах ток вторичной электронной эмиссии
характеризуют общим коэффициентом с = 8 + Г|, который равен отношению полного
тока вторичных электронов к первичному электронному току.
Важной характеристикой процесса вторичной электронной эмиссии является
зависимость коэффициентов 8, т|, с от энергии первичных электронов. Такая зави-
симость наиболее ярко выражена для коэффициента истинной вторичной элект-
ронной эмиссии 8. Коэффициент отражения т| слабо зависит от энергии первичных
электронов, кроме того, он мал по сравнению с коэффициентом 8 для большинства
материалов, используемых на внешней поверхности КА. Поэтому энергетические
зависимости коэффициентов 8 и с весьма схожи [18].
На рис. 1.8.1 приведены зависимости коэффициента с от энергии первичных элек-
тронов для трех полимерных материалов, часто используемых на внешней поверхно-
сти КА [19]. Видно, что для представленных
материалов максимальные значения этого
коэффициента <зт > 1, а соответствующие
этим значениям энергии первичных элек-
тронов Ет ~ 150-300 эВ.
В задачах анализа электризации КА часто
необходимо знать значения энергии первич-
ных электронов Е\ и Е2, соответствующие
значению o= 1. На рис. 1.8.1 эти значения
соответствуют пересечениям кривых с гори-
зонтальной пунктирной прямой.
Для аналитического описания рассмот-
ренных зависимостей их удобно представить
Рис. 1.8.1. Зависимость коэффициента а от В нормированном виде а/от =/(£/Ет). При
энергии первичных электронов для исследовании ЭЛСКТрИЗацИИ КА подобные
полимерных материалов: 1 - майлар; аналитические зависимости требуется ПОЛу-
2 - фторопласт, 3 - полиамид чать ИНДИВИДуально для каждого материала.
Существенно, что такие зависимости долж-
ны быть достаточно корректными вплоть до энергии первичных электронов
Е~ 10-20 кэВ. Поэтому для их описания целесообразно использовать известную
формулу Стсрнгласса [20], модифицировав ее введением дополнительного подгоноч-
ного параметра а:
ехр
(1.8.4)
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
243
Результаты расчетов по этой формуле
при разных значениях подгоночного пара-
метра а приведены на рис. 1.8.2. Видно,
что путем варьирования параметра а мож-
но значительно изменять ход кривых, что
позволяет добиваться наилучшего согласия
расчетных кривых с экспериментальными
данными.
Помимо зависимости вторично-эмисси-
онных коэффициентов от энергии первич-
ных электронов важна их зависимость от
угла падения на мишень 0. В упрощенной
форме такая зависимость описывается функ-
цией sec 0. Иногда применяются более точ-
ные выражения [18].
Ионно-электронная эмиссия в общем
случае обусловлена двумя физическими ме-
Рис. 1.8.2. Зависимости а/ат=/(Е/Ет),
рассчитанные по формуле (1.8.4) при
разных значениях подгоночного
параметра а: 1 - 1,0; 2 - 0,75;
3-0,5; 4-0,25
ханизмами: вырыванием вторичных элект-
ронов из мишени за счет потенциальной энергии бомбардирующих ионов и за счет
их кинетической энергии. Мы будем принимать во внимание второй механизм, кото-
рый является преобладающим при энергии ионов больше —1,5 кэВ.
Зависимость коэффициента кинетической ионно-электронной эмиссии от энергии
первичных частиц у =f(E) в целом подобна рассматривавшейся выше зависимости
для коэффициента с. Однако в отличие от вторичной электронной эмиссии энергия
ионов Ет, соответствующая максимальному значению коэффициента ионно-элект-
ронной эмиссии yw, лежит для большинства материалов при бомбардировке их про-
тонами в области энергий 40-100 кэВ и возрастает с увеличением массы ионов.
Для аналитического описания нормированной энергетической зависимости ко-
эффициента у удобно использовать следующее выражение [21]:
-W-A.
у,
xl/2
Е 1
(1.8.5)
Ет
Результаты расчета по этой формуле в
сопоставлении с экспериментальными дан-
ными [22-24], полученными при бомбар-
дировке протонами различных материалов,
приведены на рис. 1.8.3.
Справочные данные по эмиссионным па-
раметрам некоторых материалов представ-
лены в табл. 1.8.2.
Фотоэлектронная эмиссия (внешний фо-
тоэффект) характеризуется спектральной
зависимостью квантового выхода, т. е. за-
висимостью числа эмитируемых фотоэлек-
Рис. 1.8.3. Нормированная энергетическая
зависимость коэффициента у:
кривая - расчет, точки - эксперимент
244
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
тронов, приходящихся на один фотон, от энергии фотонов (или от длины волны).
В задачах анализа электризации КА удобнее использовать интегральный параметр:
плотность тока фотоэлектронной эмиссии jph, которая определяется с учетом распре-
деления энергии в спектре солнечного излучения. Этот параметр также представлен в
табл. 1.8.2. Для большинства материалов, используемых на внешней поверхности
КА, он лежит в пределах (1-5)4 О"5 А-м"2.
Таблица 1.8.2
Эмиссионные характеристики материалов
Материал Электроны Протоны Фотоны
б/» Е„„ кэВ Ч У Ет, кэВ Ль, 10’5 А-м’2
стекло 2,4 0,3 0,12 5,0 70,0 2,0
полиэтилентерефталат 2,3 0,4 0,11 5,0 100,0 2,0
полиамид 2,1 0,15 0,07 5,8 80,0 2,0
тефлон 3,0 0,3 0,09 5,0 70,0 2,0
углерод 0,75 0,35 0,08 5,0 70,0 2,1
алюминий 0,97 0,3 0,17 4,0 80,0 4,0
серебро 1,5 0,8 0,4 2,0 300,0 3,0
1п2О3 2,35 0,35 0,2 4,2 45,0 3,2
1.8.1.4. Влияние токов проводимости на процесс электризации
Для оценки роли токов проводимости в формировании потенциального рельефа
на поверхности КА рассмотрим следующую структуру, достаточно часто встре-
чающуюся в реальных конструкциях: участок металлического корпуса КА покрыт
слоем диэлектрика толщиной Л = 80-100 мкм, на поверхность которого нанесены
соединенные с корпусом проводящие полосы с расстоянием L между ними.
С поверхности диэлектрика, заключенной между проводящими полосами, заряд
может стекать на металлический корпус двумя путями: поперек диэлектрического
слоя и по поверхности - через проводящие полосы. В первом случае ток зависит от
удельного объемного сопротивления диэлектрика рг, а во втором - от удельного по-
верхностного сопротивления р5.
Для точки поверхности с координатой х, отсчитываемой от середины отрезка L
в направлении, перпендикулярном к любой из проводящих полос, плотность тока
поперек диэлектрического слоя определяется выражением:
Л = (1.8.6)
где Ux - потенциал поверхности диэлектрика в точке х; Uc - потенциал металличе-
ского корпуса.
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
245
Выражение для плотности поверхностного тока, зависящего от локального гради-
ента потенциала dUx! dx, имеет вид:
dUx 1 х
dx 2ps ((L/2)2-x2)'
(1.8.7)
Решая уравнение баланса токов (1.8.1), записанное с учетом токов jv и js для
элемента поверхности в окрестности точки х, можно определить степень их вли-
яния на величину разности потенциалов AUX между заряженной поверхностью ди-
электрика и металлическим корпусом.
На рис. 1.8.4 показана зависимость отношения &UX/&Uq от координаты х, рас-
считанная для двух вариантов значений рг и р$, соответствующих реально ис-
пользуемым эмалевым покрытиям поверхности КА: 1 - эмаль АК-512; 2- эмаль
КО-5191. В обоих случаях толщина покрытия равна 80 мкм. Видно, что значи-
тельное снижение разности потенциалов, обусловленное поверхностным током,
происходит только в непосредственной близости от проводящей полосы.
Рис. 1.8.5. Зависимость разности
потенциалов от удельного объемного
сопротивления диэлектрика рг
Р.ис. 1.8.4. Снижение разности потенциалов
&UX за счет токов проводимости для двух
вариантов значений рг и р5
Добиться снижения разности потенциалов между поверхностью диэлектриче-
ского покрытия и металлическим корпусом можно за счет уменьшения удельного
объемного сопротивления диэлектрика рг. Рис. 1.8.5, на котором приведена рассчи-
танная зависимость нормированного потенциала поверхности U^/U^ от величины
рг (^оо - потенциал при р = оо), показывает, что при снижении рг до значения
1013 Ом-см разность потенциалов получается весьма незначительной. При увеличе-
нии ру до 1016—1017 Ом-см кривая на рис. 1.8.5 выходит на горизонтальный участок,
т. е. разность потенциалов перестает расти, поскольку при таких значениях ргток
утечки через эмаль перестает играть заметную роль в общем балансе токов на эле-
менте поверхности.
246 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.8.2. Характеристики горячей магнитосферной плазмы
1.8.2.1. Аналитическая аппроксимация энергетических спектров частиц
горячей плазмы
При рассмотрении внешних факторов, вызывающих электризацию КА, наиболь-
шее внимание уделяют анализу характеристик горячей магнитосферной плазмы,
поскольку, как уже указывалось выше, именно она вызывает появление на КА наи-
более высоких потенциалов.
Энергетические спектры электронов и ионов горячей плазмы в области ГСО
занимают диапазон энергий от 0,05 до 100 кэВ. Функция распределения регистри-
руемых в области ГСО заряженных частиц с указанными энергиями достаточно
корректно аппроксимируется суперпозицией двух максвелловских распределений с
различными характерными энергиями кТ\ и кТ2 [25-28]:
( V/2 ( 2 Л ( \3/2 ( 2 \
П \ w \ mv m mv o o.
f(v) = A7 --- exp----------+wJ-------- exp---------, (1.8.8)
\2nWj \ 2kTJ \2itkT2) 2kT2)
где n - концентрация частиц (электроны, протоны или другие более тяжелые ионы)
соответственно для составляющих с температурами Т\ и Г2; /??, v - масса и скорость
частиц; к - постоянная Больцмана.
Экспериментально установлено [29], что в области ГСО помимо ионов Н+, яв-
ляющихся обычно основным ионным компонентом плазмы, могут присутствовать
ионы Не+, О+, Не2+, О2+ ионосферного происхождения, причем их содержание в плаз-
ме обычно растет с повышением уровня геомагнитной активности, а при очень высо-
кой возмущенности концентрация ионов О+ может в некоторых случаях превышать
концентрацию Н+. Поэтому ионный состав плазмы желательно учитывать в модели
электризации геостационарных КА. Однако пока в большинстве случаев при анализе
электризации рассматривают электронно-протонную плазму.
Определение параметров двухтемпературной функции распределения (1.8.8)
производится на основании результатов измерения плотности потока частиц плаз-
мы, которая описывается следующим выражением
°°г п (2кт\12
F = 4n \vf(y)v2dv = — — . (1.8.9)
* 2л v nm )
Для концентрации частиц справедливо выражение:
п = 4л J/(v) v2dv. (1.8.10)
о
Процедура обработки экспериментальных данных с целью определения парамет-
ров функции распределения основывается обычно на методе наименьших квадратов.
С помощью такой методики был обработан, в частности, большой массив экспе-
риментальных данных о потоках электронов и протонов в диапазоне энергий
1 эВ - 80 кэВ, полученных на геостационарных КА ATS-5, ATS-6 и SCATHA при
различных уровнях геомагнитной активности в разное время суток [26, 27, 30, 31].
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
247
Таблица 1.8.3
Усредненные значения параметров двухкомпонентных максвелловских
функций распределения для электронов и протонов па ГСО
Параметр Электроны Протоны
ATS-5 ATS-6 SCATHA ATS-5 ATS-6 SCATHA
/?1, см-3 0,58 ±0,55 0,75 ± 0,82 0,78 ± 0,70 0,75 ± 0,54 0,93 ± 1,78 0,19 ±0,16
кТ\, кэВ 0,28 ±0,17 0,46 ± 0,85 0,55 ± 0,32 0,30 ± 0,30 0,27 ± 0,88 0,80 ± 1,0
/?2, см-3 0,21 ±0,38 0,27 ± 0,33 0,31 ±0,37 0,61 ±0,33 0,33 ±0,16 0,39 ± 0,26
кТ2, кэВ 7,04 ±2,12 9,67 ±3,56 8,68 ± 4,0 14,0 ±5,0 25,0 ± 8,5 15,8 ±5,0
Полученные значения параметров двухкомпонентных максвелловских функций рас-
пределения для электронов и протонов на ГСО приведены в табл. 1.8.3. Значитель-
ные статистические ошибки в определении параметров свидетельствуют о сильных
вариациях энергетических спектров.
Последующие исследования, в частности измерения параметров горячей магни-
тосферной плазмы, выполненные с помощью созданных в НИИЯФ МГУ электро-
статических анализаторов, показали, что температуры обеих составляющих плаз-
мы, в особенности горячей (Г2), в большинстве случаев оказывались ниже приве-
денных в табл. 1.8.3 [26, 32-35]. Обычно значения энергий указанных составляющих
лежат в следующих диапазонах: кТ\ = 0,1-0,5 кэВ и кТ2 = 1-10 кэВ. Аналогичные
данные получены в измерениях, выполненных американскими исследователя-
ми [36, 37].
Тем не менее в настоящее время в качестве условий, характеризующих «наихуд-
ший случай» заряжения, в некоторые нормативные документы [38-40] включены
параметры плазмы (табл. 1.8.4), полученные на основании результатов измерений на
КА SCATHA.
Таблица 1.8.4
Параметры двухкомпопептпых максвелловских функций распределения
для электронов и протонов на ГСО «для наихудшего случая» [38]
Параметр Электроны Протоны
/?1, см-3 0,2 0,6
кТ\, кэВ 0,4 0,2
«2, см-3 1,2 1,3
кТ2, кэВ 27,5 28,0
На рис. 1.8.6 приведены дифференциальные энергетические спектры электронов
и протонов горячей магнитосферной плазмы в области ГСО, рассчитанные на осно-
вании данных табл. 1.8.3.
248
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.8.6. Дифференциальные
энергетические спектры, рассчитанные
по данным табл. 1.8.3: а - электроны для
ATS-5 (сплошная кривая) и ATS-6 (пунктир);
б - электроны (сплошная кривая)
и протоны (пунктир) для ATS-5
Рис. 1.8.7. Аппроксимация двухтемпературной
максвелловской функцией (линия)
энергетического спектра электронов,
зарегистрированного на ГСО (точки)
На рис. 1.8.7 показан спектр электронов
горячей плазмы, полученный в измерени-
ях на геостационарном КА «Горизонт», в
сопоставлении с аппроксимирующей функ-
цией.
1.8.2.2. Закономерности изменений
параметров горячей плазмы
При анализе изменения характеристик
горячей плазмы, воздействующей на гео-
стационарный КА в течение суток, необхо-
димо располагать данными о регулярном
суточном ходе параметров плазмы и вариа-
циях этих параметров, обусловленных гео-
магнитными возмущениями.
Поскольку на высоте ГСО (L ~ 6,6) маг-
нитосфера Земли не обладает осевой сим-
метрией, геостационарный КА при дви-
жении по орбите пересекает различные
структурные области магнитосферы, ха-
рактеризующиеся определенными пара-
метрами магнитосферной плазмы и физи-
ческими механизмами ее движения в маг-
нитосфере. Вследствие этого перемещение
КА по орбите синхронно с вращением Зем-
ли определяет суточные вариации парамет-
ров плазмы, воздействующей на КА.
Из-за сильной изменчивости положения
границ магнитосферных областей (плаз-
мосферы, плазменного слоя) и параметров
плазмы внутри выделяемых структур, обу-
словленной магнитосферными возмуще-
ниями, т. е. в конечном счете изменениями
уровня солнечной активности и параметров
межпланетной среды, на регулярные суточ-
ные вариации параметров плазмы в облас-
ти ГСО накладываются различного рода
хаотические вариации. Последние можно
разделить на вариации, связанные с изо-
лированными магнитосферными возму-
щениями, с общим повышением уровня
возмущенности (с последовательностью
магнитосферных суббурь) и с аномальны-
ми возмущениями, при которых проис-
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ 249
ходят очень значительные структурные изменения магнитосферы, например, магни-
топауза приближается к Земле на L < 6,6, в результате чего геостационарный КА вы-
ходит на дневной стороне за пределы магнитосферы.
Для задач, связанных с анализом электризации КА, наибольший интерес пред-
ставляет определение положения КА относительно структурных областей магнито-
сферы на ночной ее стороне. Здесь со стороны больших L вплотную к ГСО примы-
кает (или частично перекрывает ее) плазменный слой, для которого характерны
следующие параметры плазмы: £Ге ~ 0,1-1 кэВ, к!\~ 1-10 кэВ; Л7е,/ ~ 1-3 см-3. На
обращенной к Земле, т. е. к ГСО, границе плазменного слоя выделяют кромку плаз-
менного слоя, в пределах которой во время магнитосферных возмущений формиру-
ется волна сжатия, обуславливающая инжекцию горячей плазмы в область ГСО.
Указанные структурные особенности магнитосферы и изменения их границ опре-
деляют регулярный суточный ход параметров магнитосферной плазмы в области
ГСО, характерный для магнито-спокойных
условий, и накладывающиеся на него ва-
риации с различными временными и ам-
плитудными масштабами.
Наиболее важная при анализе электри-
зации КА закономерность регулярного су-
точного хода состоит в увеличении кон-
центрации электронов обеих компонент в
утренние и вечерние часы и снижении ее в
дневные часы. При этом концентрация
частиц высокотемпературной компоненты
обычно ниже, чем низкотемпературной.
Зависимость от местного времени темпе-
ратур Т\ и Т2 носит более сложный харак-
тер. Тем не менее поток (ток) электронов
горячей плазмы имеет отчетливо выражен-
Рис. 1.8.8. Зависимость усдля горячей
плазмы от местного времени
ные максимумы в утренние и вечерние
часы. Зависимость плотности тока элект-
ронов je от местного времени иллюстриру-
ется рис. 1.8.8, на котором представлены
совокупные данные измерений па не-
скольких геостационарных КА [41].
С повышением уровня геомагнитной
активности значения всех четырех пара-
метров плазмы в среднем увеличиваются,
при этом перепад значений параметров на
протяжении суток, как правило, возрас-
тает. Для потока электронов горячей плаз-
мы зависимость от уровня геомагнит-
ной активности, характеризуемого индек-
сом Кр, выражена достаточно отчетливо
(рис. 1.8.9) [44].
Геомагнитный индекс Кр
Рис. 1.8.9. Зависимость je горячей плазмы
от индекса Кр
250 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
При повышенном уровне геомагнитной активности в регулярном суточном ходе
параметров плазмы практически всегда наблюдаются хаотические вариации, осо-
бенно ярко выраженные в вечернем секторе ГСО.
Описанные закономерности вариаций параметров плазмы, воздействующей на
геостационарный КА при различных уровнях гелиогеофизической активности, под-
тверждаются результатами длительных измерений, выполненных с помощью аппара-
туры НИИЯФ МГУ на геостационарных КА [32-35]. Такие измерения проводились с
помощью спектрометров электронов и ионов плазмы, в которых селекция частиц по
энергии производилась с помощью электростатических анализаторов, а в качестве
детекторов частиц использовались канальные электронные умножители. Энергетиче-
ский диапазон спектрометров составлял -0,1-12 кэВ, число энергетических каналов в
различных экспериментах менялось от 8 до 16.
На основании экспериментальных данных, полученных на различных геоста-
ционарных КА, с помощью описанной выше процедуры математической обработки
данных были найдены значения четырех параметров аппроксимирующей функции
/71, ^2, Т2, а также рассчитаны плотности потоков F\ и F2.
На рис. 1.8.10а представлены зависимости этих параметров от местного вре-
мени (LT), полученные по результатам измерений на КА «Электро» [34-35] при
Рис. 1.8.10. Изменение параметров электронных компонент плазмы в области ГСО
при низкой (а) и повышенной (б) геомагнитной активности
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
251
низкой геомагнитной активности (индекс
Кр ~ 1-2), а на рис. 1.8.106 - при повышен-
ной активности (Кр ~ 3-5).
Из сопоставления рисунков видно, что
повышение уровня геомагнитной активно-
сти приводит к некоторому увеличению
концентрации обеих плазменных компо-
нент в утренние и вечерние часы, при этом
снижение концентрации в дневные часы
более значительно по сравнению со случаем
низкой геомагнитной активности. Характер
суточного хода параметров Т\9 Т2 в целом
изменился незначительно, но можно отме-
тить некоторое повышение значений темпе-
ратур и увеличение амплитуды их нерегу-
лярных вариаций. Наблюдается также рост
потоков электронов и увеличение перепада
их значений при переходе от утренних ча-
сов к дневным.
На основании больших массивов полу-
ченных экспериментальных данных были
определены усредненные значения пара-
метров плазмы для различных геомагнит-
ных условий. На рис. 1.8.11а показано из-
менение в зависимости от геомагнитного
индекса Кр электронной концентрации го-
рячей компоненты п2, а на рис. 1.8.116 - ее
температуры Т2. Черные значки - усредне-
ние за полные сутки, а светлые - за интер-
вал времени 18-24 LT.
п2, см 3
О 2 4 6 Кр
а
Г2, кэВ
0 -----1---1----1---1----1---1----1---
0 2 4 6 Кр
б
Рис. 1.8.11. Усредненные зависимости
концентрации п2 (а) и температуры Т2 (б)
от геомагнитного индекса Кр
Приведенные результаты измерений в целом согласуются с данными, представ-
ленными в [41] и на рис. 1.8.8, 1.8.9.
1.8.3. Вольт-амперные характеристики проводящего тела в космической
плазме
Вольт-амперными характеристиками будем называть зависимости всех состав-
ляющих полного тока в уравнении (1.8.1) от потенциала поверхности КА. Такие ха-
рактеристики удобно использовать при анализе физических закономерностей элек-
тризации КА. Они наглядно показывают вклад в общий ток отдельных составляю-
щих, степень влияния этих составляющих на величину равновесного потенциала и
характер возможных изменений потенциала при варьировании внешних условий и
свойств материалов, находящихся на поверхности.
252
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.8.3.1. Расчет первичных плазменных токов
На основании рассмотренных выше параметров космической плазмы рассчиты-
ваются первичные токи электронов и ионов, текущие через поверхность КА.
Для горячей магнитосферной плазмы в области ГСО, являющейся практически
изотропной по отношению к движущемуся КА и характеризуемой соотношением
где R - характерный размер КА, получены следующие выражения для пер-
вичных плазменных токов [3, 10, 16]:
• ток электронов для поверхности любой формы
где
Л((Р) = -/е0) еХР
J^=ene
(1.8.11)
• ток положительных ионов для поверхностей следующих видов:
J. = JjQ) = eni
27itni у
- плоскость,
Z у/2
J. = J?0) 1 + — - ЦИЛИНДР,
I ^7
(1.8.12)
I kTi)
- сфера.
Полученные формулы справедливы для отрицательного потенциала поверхности.
В случае двухтемпературной функции распределения частиц токи вычисляются раз-
дельно для каждой плазменной составляющей.
На низких околоземных орбитах (в ионосфере) тепловая скорость электронов ve(0)
значительно превышает тепловую скорость ионов v/0) и выполняется соотношение
ге(0)» К» v/0), где V - скорость движения КА. Следовательно, поток положительных
ионов на поверхность аппарата определяется главным образом значением скорости
V, в то время как поток ионосферных электронов определяется значением их тепло-
вой скорости.
С учетом сделанных замечаний уравнение баланса токов для данного случая мо-
жет быть записано в следующем виде:
Л1Ьет(ф)+Ли(ф) = о, (1.8.13)
где Je - первичный ток электронов ионосферной плазмы, обусловленный тепло-
вым движением электронов; - первичный ионный ток, обусловленный набегаю-
щим плазменным потоком.
Вторично-эмиссионными токами здесь можно пренебречь, поскольку энергии
первичных падающих электронов и ионов весьма малы.
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
253
Точный расчет первичных плазменных токов для данного случая весьма труден,
поскольку они сильно зависят от многих процессов, включая магнитогидродинами-
ческие явления, обусловленные движением тела через плазму, влияние магнитного
поля Земли на движение электронов и ионов и др. Тем не менее в работе [42] пока-
зано, что для описания электронного тока ионосферной плазмы можно использо-
вать приведенное выше выражение.
При вычислении ионного тока необходимо использовать функцию распределе-
ния ионов, учитывающую скорость направленного движения ионов V по отноше-
нию к КА:
z \3/2 (
г г X \ mi \
/юМ) = п-, —— ехр
|v(. - V|2
Ж, ,
(1.8.14)
С практической точки зрения интересен случай заряжения низкоорбиталь-
ных КА в полярных областях при одновременном воздействии на аппарат ионо-
сферной плазмы и потока авроральных электронов с характерными энергиями
£aur ~ 1“50 кэВ, для вычисления токов которых также может быть использовано
приведенное выше выражение. В этом случае потенциал КА может достигать
~1-5 кВ [43].
Тот факт, что потенциал поверхности велик по сравнению с энергией электронов
и ионов ионосферной плазмы, упрощает процедуру расчета ионного тока.
Показано [42, 39], что для данного случая, т. е. при
кТ (У? А4/3
|Ф|^£ , (1-8.15)
граница заряженного слоя вблизи поверхности является достаточно резкой, и по-
этому оправдано введение эффективной поверхности сбора ионов с соответствую-
щим радиусом:
R -RF , (1.8.16)
с kT\Rj '
где У7* - функция, возрастающая с увеличением потенциала объекта. Функция У7* та-
булирована в [42] для различных значений параметров. Приближенное выражение
для Rc в случае сферического тела имеет вид [42]:
\зп
Rc =0,803 У?
^кТ \Rj
(1.8.17)
Физический смысл концепции радиуса сбора состоит в том, что заряженный
объект эффективно притягивает частицы с расстояния ~RC. Расчеты траекторий
частиц вблизи заряженных поверхностей [44] показывают, что частицы, попавшие
в область сбора, движутся к поверхности практически по прямым.
При расчете ионного тока вместо реального радиуса тела используется вели-
чина Rc.
254
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
1.8.З.2. Пороговый эффект и явление неоднозначности равновесного потенциала
при заряжении КА на ГСО
Рассмотренные выше выражения для первичных плазменных токов и вторично-
эмиссионных токов позволяют рассчитать вольт-амперные характеристики для пер-
вичных и вторичных токов, входящих в уравнение (1.8.1), а также для различных их
комбинаций.
С помощью вольт-амперных характеристик удобно исследовать такие явления,
возникающие при электризации, как пороговый эффект и эффект неоднозначности
равновесного потенциала [21, 45]. Оба эффекта наблюдаются при высоких значениях
вторично-эмиссионных токов.
Первый из указанных эффектов обусловлен тем, что при энергии первичных элек-
тронов ниже некоторой пороговой вторично-эмиссионный ток эффективно удаляет с
поверхности отрицательный заряд, приносимый первичными электронами, т. е. по-
верхность не заряжается. При превышении этой пороговой энергии поверхность на-
чинает заряжаться вследствие уменьшения коэффициента вторичной эмиссии. В ус-
ловиях космического пространства, где на поверхность КА воздействуют потоки
электронов с распределенными энергетическими спектрами, при анализе подобных
явлений рассматривается пороговая температура воздействующей плазмы.
Второй эффект - эффект неоднозначности равновесного потенциала - связан с
возникновением интенсивной вторично-электронной эмиссии с поверхности под
действием электронной составляющей низкотемпературной компоненты функции
распределения частиц горячей магнитосферной плазмы.
Пример семейства вольт-амперных характеристик, рассчитанных для единичной
сферы с высокими значениями вторично-эмиссионных коэффициентов поверхности
в отсутствие освещения (Jph = 0), приведен на рис. 1.8.12. Чтобы излишне не загро-
мождать рисунок, здесь положено у = 0. Это не меняет вида вольт-амперных характе-
ристик, поскольку ток ионно-электронной эмиссии растет практически линейно с уве-
личением значения модуля потенциала, а его учет лишь незначительно изменяет на-
чальную ординату и наклон прямой полного ионного тока. Обратим внимание на то,
что кривая полного тока в данном случае дважды пересекает ось абсцисс, т. е. усло-
вие баланса токов 7=0 выполняется при двух значениях потенциала. В этом и состо-
ит упоминавшийся выше эффект неоднозначности равновесного потенциала.
Для пояснения причин возникновения этого эффекта на рис. 1.8.13а показаны
кривые полного тока, построенные отдельно для холодной компоненты плазмы J\ и
для горячей компоненты а также сумма этих кривых, соответствующая полному
току на рис. 1.8.12. Из рис. 1.8.13а видно, что кривая J\ не имеет пересечения с осью
абсцисс, т. е. при воздействии на поверхность только холодной компоненты плазмы
накопление на ней отрицательного заряда не происходит. Это объясняется возникно-
вением значительного тока вторичной электронной эмиссии под действием электро-
нов холодной плазменной компоненты. Именно эта составляющая тока определяет
подъем вольт-амперной характеристики J\ в области значений отрицательного по-
тенциала поверхности менее 1 кВ. Равновесное состояние в данном случае наступает
при небольшом положительном потенциале поверхности тела (3-10 В) в режиме
торможения уходящих с поверхности вторичных электронов, энергетический спектр
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
255
Рис. 1.8.12. Семейство вольт-амперных характеристик для сферы
с высокими значениями вторично-эмиссионных коэффициентов
поверхности: 1 - суммарный протонный ток, 2 - суммарный
электронный ток, 3 - полный ток, 4 - ток первичных электронов,
5 - ток истинной вторичной электронной эмиссии,
6 - ток отраженных электронов
которых описывается максвелловской функцией с температурой кТ- 2-5 эВ. Учас-
ток вольт-амперной характеристики, соответствующий этому режиму заряжения и
представляющий собой очень быстро падающую экспоненту в области положитель-
ных значений потенциала, не показан на рис. 1.8.13а. Отметим, что такая же вольт-
амперная характеристика в области положительных значений потенциала поверхно-
сти описывает заряжение освещенного Солнцем тела в случае преобладания тока
фотоэлектронной эмиссии над первичным электронным током.
Рис. 1.8.13. Вольт-амперные характеристики для сферы с высокими (а) и низкими (б)
значениями коэффициентов вторичной эмиссии: 1 - \ 2 - J2; 3 - J = J\ + J2
256
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙСРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
На рис. 1.8.136 приведены аналогичные вольт-амперные характеристики, рассчи-
танные для сферы с низкими значениями коэффициентов вторичной эмиссии. В этом
случае кривая полного тока не имеет рассмотренной выше особенности. Кривая име-
ет только одно пересечение с осью абсцисс, соответствующее условию устойчивого
равновесия.
Таким образом, можно выделить три типа вольт-амперных характеристик, описы-
вающих процесс заряжения тела в космической плазме: без пересечения с осью абс-
цисс в области отрицательного значения потенциала, с одним пересечением в этой
области и с двумя пересечениями. Конкретный вид характеристики зависит от тем-
пературы плазмы, в которой происходит заряжение тела, и от вторично-эмиссионных
свойств его поверхности.
Когда процесс электризации описывается характеристикой третьего типа (с не-
устойчивым равновесным состоянием), конечный результат заряжения зависит еще
и от других начальных условий. Так, воздействие на тело, электризация которого
описывается характеристиками, представленными на рис. 1.8.13а, только горячей
компоненты плазмы с температурой кТ2 приводит к установлению равновесного
потенциала поверхности около -8 кВ. Появление затем в составе плазмы холодной
компоненты с температурой кТ\ вызывает снижение потенциала до значения -2 кВ
(устойчивое равновесное состояние). Если же воздействие плазменных составля-
ющих на незаряженное тело происходит в обратной последовательности или одно-
временно, равновесие устанавливается при положительном потенциале тела. В
последнем случае установление равновесного потенциала -2 кВ возможно при на-
личии на теле исходного отрицательного потенциала, превышающего по абсолют-
ной величине неустойчивый равновесный потенциал. Такие закономерности заря-
жения соответствуют хорошо изученному процессу заряжения тел, для которых
> 1, моноэнергетическими электронными пучками [4, 46].
Из сопоставления характеристик J\ и J2 следует, что при заданных вторично-
эмиссионных свойствах поверхности отрицательный потенциал на теле может возни-
Таблица 1.8.5
Значения равновесного потенциала для ряда материалов при заряжении в плазме
с различными значениями температуры Т
Материалы Равновесный потенциал, кВ, при Г, кэВ
1,0 2,2 3,2 4,5 7,1 14,0
Углерод 1,5 3,2 4,4 6,0 8,9 16,4
Алюминий 1,2 2,8 3,9 5,4 8,2 15,9
Стекло 0,0 0,0 0,0 0,7 4,6 11,9
Покрытие 1п20з 0,0 0,0 0,0 0,4 4,1 11,8
Полиэтилен 0,0 0,0 0,0 0,5 4,7 12,3
Полиэтилен-терефталат 0,0 0,0 0,3 2,7 5,9 13,1
Полиамид 0,0 2,4 3,7 5,2 8,1 15,0
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
257
кать только в том случае, если температура окружающей плазмы превышает некото-
рое пороговое значение (пороговый эффект).
Явление неоднозначности равновесного потенциала и пороговый эффект необхо-
димо учитывать при прогнозировании возможности заряжения КА в тех или иных
условиях. Ввиду важности практического использования порогового эффекта для
предотвращения электризации КА, его проявление для материалов с различными
вторично-эмиссионными свойствами будет рассмотрено подробнее ниже.
Решение уравнения (1.8.1) позволяет найти равновесные значения потенциала
для различных условий заряжения. Результаты таких расчетов при различных зна-
чениях температуры горячей компоненты окружающей плазмы для ряда материа-
лов, вторично-эмиссионные параметры которых были даны выше в табл. 1.8.2,
приведены в табл. 1.8.5. Эти данные наглядно иллюстрируют проявление порогово-
го эффекта (нулевые значения потенциала до определенных значений температуры
плазмы для таких материалов, как стекло, проводящие покрытие In2O3, полиэтилен,
полиэтилентерефталат, полиамид).
1.8.3.3. Специфика заряжения КА на низких полярных орбитах
Аналогичным образом выполняется расчет равновесных значений потенциала для
случая заряжения тел в ионосферной плазме при одновременном воздействии потока
авроральных электронов и солнечного света.
Результаты таких расчетов приведены в табл. 1.8.6. Для оценки возможных значе-
ний равновесного потенциала КА параметры ионосферной плазмы и авроральных
электронов, использовавшиеся при проведении расчетов, варьировались в широких
пределах. В левом столбце табл. 1.8.6 указаны значения концентрации ионосферных
ионов, а в верхней строке - значения плотности тока авроральных электронов. Во вто-
ром столбце табл. 1.8.6 приведены значения плотности тока таранных ионов, т. е. тока,
обусловленного набеганием ионного потока на лобовую поверхность движущегося
КА. Эта величина рассчитывалась на основании заданных концентраций ионосфер-
ных ионов. Для каждого сочетания заданных исходных параметров - концентрации
ионосферных ионов и плотности тока авроральных электронов - рассчитывались
значения потенциала в отсутствие освещения поверхности солнечным светом и при
ее освещении для двух значений энергии авроральных электронов. Значения потен-
циала, приведенные в правой части табл. 1.8.6 для каждого сочетания этих парамет-
ров, приведены для неосвещенного ИСЗ (верхняя строка) и для освещенного при
jPh = 5-10-5 А-м-2 (нижняя строка). При этом в левом столбце даны значения потен-
циала для энергии авроральных электронов 10 кэВ, а в правом - для 30 кэВ.
Предельно малые и предельно большие значения потенциалов, приведенные в
табл. 1.8.6, определяются доминирующей ролью токов различных заряженных час-
тиц в установлении баланса. Значения потенциала | ср | < 1 В отвечают случаю, когда
баланс токов устанавливается на токах таранных ионов и ионосферных электронов,
т. е. роль авроральных электронов пренебрежимо мала (/е(0) >jaur). В этом случае, как
видно из табл. 1.8.6, влияние освещения КА на процесс заряжения незначительно.
Предельно сильное заряжение имеет место в случае, обратном предыдущему, т. е.
если уе(0) «сjaur. В случае /аиг«7Рь освещение поверхности, на которую воздействует
258
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.8.6
Значения равновесного потенциала для различных случаев заряжения ИСЗ в ионосфере
с учетом воздействия потока авроральных электронов
Параметры ионного потока Плотность тока авроральных электронов, А-м-2
Концентрация ионосферных ионов, м-3 Плотность тока таранных ионов, А-м-2 1,0-10-6 1,58-1 О’4
3,5510’ 4,53-10’6 -0,3 -0,4 -1700 -1921
-0,1 -0,1 -952 -1080
ю10 1,25-10’5 -0,3 -0,3 -1087 -1 179
-0,2 -0,2 -609 -658
10" 1,25-10-4 -0,3 -0,3 -1,2 -1,3
-о,з -0,3 -0,4 -0,4
ю'2 1,2510-’ -0,3 -0,3 -0,3 -о,з
-0,3 -0,3 -0,3 -0,3
3,01012 3,10-10-’ -0,3 -0,3 -0,3 -0,3
-0,3 -0,3 -0,3 -0,3
поток авроральных электронов, существенно снижает равновесный потенциал по
сравнению со случаем отсутствия освещения.
Для иллюстрации результатов расчета введем, подобно [40], отношение плот-
ностей токов:
Рис. 1.8.14. Зависимость параметра к от потенциала сферы ср: а - при различных значениях
R, [м] (1 - 0,5; 2 - 1; 3 - 2; 4 - 3); б - при различных значениях [м-3]
(1 -1,0-108; 2 -3,55-109; 3 -1,О-1О10; 4 -1,0-10”)
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
259
и построим графики, где по оси абсцисс отложен потенциал объекта (абсолютное
значение), а по оси ординат - величина к.
Результаты расчета для неосвещенной сферы, т. е. при jph = 0, приведены на
рис. 1.8.14а, б. В первом случае расчет произведен при концентрации ионосферных
ионов «/ = 1,0-Ю11 м'3, энергии авроральных электронов £aur = 10 кэВ и варьировании
радиуса сферы R, а во втором - при 7? = 1 м и варьировании значения и,-. С помощью
этих рисунков легко оценить возможные значения потенциала при электризации КА
на низких орбитах в авроральных областях.
1.8.З.4. Критерии заряжаемости материалов в космической плазме
Из анализа уравнения баланса токов на поверхности КА (1.8.1) с использованием
рассмотренных выше выражений для описания энергетических спектров частиц кос-
мической плазмы и вторично-эмиссионных свойств материалов можно найти, что
накопление отрицательного заряда и, соответственно, возникновение отрицательного
потенциала на поверхности КА происходит при условии [16]:
> F^kTJEj12). (1.8.18)
Для изотермической протонно-элект-
ронной плазмы j/0)/</е(0) = 0,023. Поэтому
левая часть в приведенном выражении
зависит практически только от вторич-
но-эмиссионных параметров материала.
Коэффициент отражения первичных
электронов здесь мы полагаем не завися-
щим от энергии. Соотношение парамет-
ров, удовлетворяющих условию (1.8.18),
удобно оценить графически.
На рис. 1.8.15 наряду с функцией
F(x), где х = (кТс/Em)i/2, рассчитанной
при пе = rii для первичных потоков заря-
женных частиц с различными энергети-
ческими и угловыми характеристиками,
проведены прямые (1 -T|)8W'1 для ряда
материалов. Видно, что при выполнении
условия (1.8.18) относительно макси-
мального значения функции F(x) поро-
говый эффект в заряжении отсутствует,
т. е. материал заряжается отрицательно
при любой температуре плазмы. Это
характерно, как уже отмечалось, для
материалов с низкой эмиссионной спо-
собностью - в данном случае для аква-
дага (8w = 0,75; г] = 0,1), но и то лишь
при нормальном падении первичных
Рис. 1.8.15. Графическое представление
критериев заряжаемости материалов:
1,2- максвелловская плазма и
моноэнергетические потоки частиц
при нормальном падении;
3,4- при изотропном падении
260
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
электронов. Для большинства же материалов, как показывает рис. 1.8.15, неравенство
(1.8.18) выполняется в двух областях значений х = (kTe/Em)V2: х<& 1 и х > 2-3. Первая
область соответствует условиям заряжения без порогового эффекта в низкотемпе-
ратурной плазме (0 < кТ < 50 эВ). Такая ситуация реализуется в ионосфере и плаз-
мосфере.
Пороговая температура плазмы, соответствующая началу заряжения тел в горячей
плазме, определяется вторым пересечением линий (l-r|)5w-1 с кривой F(x). Для
представленных на рис. 1.8.15 материалов значения пороговой температуры состав-
ляют ~ 1-5 кэВ.
Изложенная методика анализа заряжаемости материалов легко обобщается на
случай двухтемпературной плазмы, а также позволяет учесть, при необходимости,
ионно-электронную эмиссию и зависимость коэффициента отражения электронов от
их энергии. Анализ, выполненный с учетом этих факторов, показал, что основным
параметром, определяющим значение пороговой температуры плазмы, является ве-
личина тока вторичной электронной эмиссии. Это иллюстрируется рис. 1.8.16а, б, на
первом из которых приведены зависимости величины отрицательного равновесного
потенциала от температуры горячей компоненты плазмы, а на втором - от параметра
8W при разных значениях температуры плазмы. Из рис. 1.8.16а хорошо видно, что
рост потенциала начинается при температуре плазмы выше порогового значения,
соответствующего конкретным условиям заряжения. На рис. 1.8.166 точки пересечения
кривых с осью абсцисс дают зависимость пороговой температуры плазмы от 8W.
Рис. 1.8.16. Зависимость равновесного потенциала КА от температуры горячей компоненты
плазмы (а) и от параметра (б): а - 1, 2 - = 1, ие = и, = 1 см-3 при нормальном
к поверхности и изотропном падении частиц соответственно; 3,4- при наличии
низкотемпературной составляющей с концентрацией частиц 2,5 и 5,0 см-3 соответственно;
5, 6, 7 - аналогично 2, 3, 4 при = 3; б-&Г2, [кэВ]: 1 - 3,0; 2 - 5,0; 3 - 10,0
Из анализа совокупности представленных расчетных данных можно видеть, что
величина равновесного потенциала должна коррелировать с плотностью потока пер-
вичных электронов с энергией Е> 10-20 кэВ. Результаты расчетных оценок хорошо
согласуются с данными натурных экспериментов, которые будут рассмотрены ниже
в разд. 1.8.5.
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ 261
1.8.4. Влияние собственной внешней атмосферы и бортового оборудования
КА на процесс электризации
Влияние СВА
Нейтральная СВА частично ионизуется коротковолновым электромагнитным из-
лучением Солнца и потоками частиц окружающей КА плазмы. Заряженные частицы,
образующиеся в окрестности КА в результате ионизации СВА, могут оказывать влия-
ние на процесс электризации КА за счет собирания их поверхностью, т. е. за счет
возникновения дополнительного тока в уравнении (1.8.1), и за счет изменения исход-
ного электрического поля в окрестности КА пространственным зарядом образую-
щихся частиц. Для оценки влияния этих факторов на процесс электризации необхо-
димо рассчитать указанный дополнительный ток и дополнительную концентрацию
заряженных частиц в окрестности КА. Применительно к случаю заряжения геоста-
ционарных КА до высоких отрицательных потенциалов нас будет интересовать до-
полнительный ток положительных ионов, снижающий отрицательный потенциал.
Рассмотрим решение задачи для заряженного сферического тела, десорбция
нейтральных частиц с поверхности которого характеризуется плотностью потока Ij.
Будем полагать, что концентрация десорбируемых частиц убывает по мере удале-
ния от тела как (7?/ г)2, где R - радиус тела, г - расстояние, отсчитываемое от цент-
ра тела.
Нетрудно видеть, что при таком пространственном распределении частиц число
ионов, образующихся в слоях СВА равной толщины Аг на разных расстояниях г,
одинаково, если внешний поток ионизирующего излучения не претерпевает су-
щественного поглощения в облаке частиц СВА. Можно показать, что последнее
условие выполняется даже при весьма высокой интенсивности газовыделения:
Id= 101б-1017 cm'V.
Запишем, с учетом сделанных замечаний, выражение для плотности дополни-
тельного ионного потока, обусловленного ионизацией СВА коротковолновым сол-
нечным излучением в виде:
ЛРЬ=/Д (1.8.19)
vd I
где Rc - радиус собирания ионов; - спектральная плотность потока ионизиру-
ющих квантов; С/(Х) - дифференциальное сечение фотоионизации частиц СВА.
Средняя концентрация ионизованных частиц СВА для случая электризации КА на
ГСО может быть оценена с помощью выражения:
Л/СВА(г) = Ю-2^-(->| . (1.8.20)
Ч/ \г)
Интеграл в правой части уравнения (1.8.19) характеризует вероятность фото-
ионизации частиц.
При рассмотрении ионизации СВА заряженными частицами выражения для
плотности ионного потока и концентрации ионов имеют тот же вид, но интегриро-
вание проводится по дифференциальному энергетическому спектру частиц.
262
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Длина волны X, нм
Рис. 1.8.17. Спектральное распределение
плотности потока (гистограмма)
и зависимости от длины волны сечений
фотоионизации молекул СВА ст,(Х)
Рис. 1.8.18. Энергетические спектры
частиц плазмы и зависимости
от их энергии сечений ионизации
молекул СВА а,эл и а/,р
На рис. 1.8.17 приведены зависимости от длины волны сечений фотоионизации
типичных продуктов десорбции - молекул Н2О и СО2 [47, 48], а также N2. В виде
гистограммы на рисунке показано распределение интенсивности излучения в корот-
коволновой области солнечного спектра.
На рис. 1.8.18 представлены усредненные данные о сечениях ионизации молеку-
лярных составляющих СВА электронами и протонами [44, 49] различных энергий и
дифференциальные энергетические спектры двухтемпературной максвелловской плаз-
мы со следующими параметрами: кТ\ = 0,3 кэВ, п\ = 2,5 см"3; кТ2 = 10 кэВ, п2 = 1 см"3.
Результаты расчета вероятности ионизации газовых частиц различными излуче-
ниями приведены в табл. 1.8.7. Там же приведены данные, характеризующие про-
цесс ионизации СВА вторичными электронами и фотоэлектронами, испускаемыми
поверхностью тела.
Последний процесс существенно отличается от процессов ионизации СВА пер-
вичными излучениями. Энергия вторичных электронов, ускоряемых отрицательным
потенциалом поверхности КА, быстро растет по мере удаления их от поверхности, в
результате чего уменьшается величина сечения ионизации. С увеличением расстоя-
ния г падает также плотность потока вторичных электронов. Выражение для плот-
ности дополнительного ионного тока, возникающего за счет ионизации частиц СВА
вторичными электронами, имеет вид:
р2 Rc 1
jr =Id-JSK (1-8.21)
v, J r
Vd R '
где jsec - плотность тока вторичных электронов или фотоэлектронов на поверхности
тела.
Величина су;(г) находится на основании энергетической зависимости сечения ио-
низации частиц СВА электронами (см. рис. 1.8.18) с учетом распределения потенциа-
ла в окрестности тела.
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
263
Таблица 1.8.7
Вероятность ионизации газовых молекул
Излучение Молекулы Вероятность ионизации, 10 7 с 1
Н2О 7,4
Солнечное УФ-излучение СО2 о2 6,2 5,8
n2 2,8
Холодная составляющая кТ = 0,3 кэВ; п = 1,5 см-3 СО, О2, N2, Аг электроны протоны 2,4 0,04
Горячая составляющая кТ= 10,0 кэВ; п = 1,0 см-3 СО, О2, N2, Аг электроны протоны 0,5 0,4
Вторичная электронная эмиссия СО, О2, N2, Аг горячая плазма холодная плазма 0,06 0,13
Ионно-электронная эмиссия СО, О2, N2, Аг горячая плазма холодная плазма 0,11 0,01
Фотоэлектроны СО, О2, N2, Аг максимальный поток минимальный поток 12,3 2,0
Расчеты показывают, что реально ионизация СВА вторичными электронами про-
исходит только на расстоянии менее 10 м от поверхности тела, где плотность их по-
тока еще не слишком мала.
Радиус собирания ионов Rc, образующихся в результате ионизации СВА, опре-
деляется на основании трех критериев:
• соотношения потенциальной энергии иона в электрическом поле заряженного
тела с энергией его теплового движения;
• соотношения напряженности электрического поля, создаваемого заряженным
телом, с напряженностью естественного электрического поля в магнито-
сфере;
• влияния геомагнитного поля на процесс собирания ионов.
Результаты расчетов, выполненных на основании указанных критериев, показы-
вают, что для области ГСО Rc~ 103 м. Отметим, что за счет ионизации СВА первич-
ными излучениями при указанном радиусе собирания ионов в окрестности КА на
расстояниях до 10 м от него образуется лишь ~1% от общего числа собираемых по-
верхностью ионов. Таким образом, при анализе влияния нейтральной СВА на про-
цесс электризации КА основное значение имеет структура дальней зоны СВА, кото-
рая, как правило, может быть описана с высокой степенью точности сферически
симметричной моделью.
На основании решения уравнения баланса токов (1.8.1) с включением в него до-
полнительных ионных токов, возникающих за счет ионизации СВА, показано, что
снижение отрицательного равновесного потенциала за счет этих дополнительных
токов начинается при плотности потока десорбции Id> 1014 см“2-с-1, что соответст-
вует значению концентрации нейтральных частиц у поверхности ^~109см-3
(рис. 1.8.19).
264
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
При плотности потока десорбции
Id~ 1016см"2-с-1 происходит значительное
(до порядка величины) снижение отрица-
тельного потенциала. Для КА такой уровень
газовыделения может наблюдаться в первые
дни и даже недели после вывода на орбиту.
При снижении плотности потока газовыде-
ления до Id~ 1012—1013 см"2-с-1 , что возможно
после начального обезгаживания КА, влия-
ние СВА на процесс электризации становит-
ся пренебрежимо малым.
Влияние работы бортового оборудования КА
Очевидно, что при работе на борту КА
107 109 1011 и, см’3
Рис. 1.8.19. Снижение отрицательного
потенциала неосвещенного сферического
КА за счет ионизации частиц СВА:
1 - в однокомпонентной горячей плазме,
2 - в двухкомпонентной плазме
различных источников достаточно энергич-
ных электронов и ионов, используемых,
например, в активных космических экспери-
ментах [2], дополнительные токи, создавае-
мые такими источниками, могут оказывать
значительное влияние на процесс электризации КА. Подобные случаи неоднократно
исследовались теоретически и экспериментально [50]. Возможность испускания с КА
пучков заряженных частиц одного знака рассматривалась также как способ регули-
рования потенциала КА [10].
Физически более сложным является случай испускания с КА потоков квазинейт-
ральной плазмы, который реализуется, например, при работе плазменных ЭРД.
Плазменная струя ЭРД имеет достаточно сложную структуру, в ней выделяют об-
ласть центрального ядра и периферийные области, характеризуемые различными
энергиями и концентрациями испускаемых ионов. При удалении плазменной струи
от сопла ЭРД происходит процесс пространственного разделения электронов и ио-
нов. Кроме того, в плазменной струе содержатся в значительном количестве ней-
тральные частицы, которые могут ионизоваться на некотором удалении от среза со-
пла. Эти вопросы подробно рассмотрены в гл. 2.3.
Отметим, что нейтрализация отрицательного заряда на КА при включении ЭРД
происходит за счет двух основных процессов: изменения баланса токов в системе
«катод-компенсатор - плазменная струя» и собирания положительных ионов из пе-
риферийной области струи на участки поверхности КА, имеющие отрицательный
потенциал.
Первый из указанных процессов влияет на общее заряжение КА, т. е. снижает
средний потенциал КА относительно окружающей плазмы. Соответственно, этот
процесс является достаточно быстрым. Второй процесс изменяет характер диффе-
ренциального заряжения КА и является более медленным.
Оценка снижения общего потенциала СВА проводится в рамках аналитического
решения уравнения баланса токов (1.8.1), а процесс собирания положительных ионов
на поверхность дифференциально заряженного КА исследуется с помощью рассмат-
риваемой в гл. 1.9 математической модели электризации реальных КА.
ГЛАВА 1 8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
265
1.8.5. Исследования электризации космических аппаратов в натурных
условиях
1.8.5.1. Ранние исследования процессов электризации
Первые достаточно полные данные о процессах электризации были получены в
1980-х гг. на геостационарных КА АТС-5 и АТС-6 [51]. На борту этих КА были уста-
новлены приборы для измерения параметров магнитосферной плазмы, а также дат-
чики потенциала КА относительно плазмы. Результаты обработки полученных мас-
сивов экспериментальных данных, в частности, параметры двухтемпературной ап-
проксимирующей максвелловской функции, приведенные выше в табл. 1.8.3, в
течение длительного времени использовались в расчетных оценках значений потен-
циала КА. Были получены также зависимости параметров плазмы от уровня геомаг-
нитной активности и времени суток.
В 1979 г. был запущен специализированный научный спутник SCATHA для ком-
плексного изучения процессов электризации [52]. С помощью установленной на нем
аппаратуры были уточнены параметры плазмы и зависимости этих параметров от
гелиогеофизических условий. Исследовались также случаи возникновения ЭСР на
борту аппарата [53].
В середине 1980-х гг. на спутниках серии GOES помимо измерений параметров
магнитосферной плазмы в области ГСО и потенциала КА были выполнены упомяну-
тые выше эксперименты по активному регулированию потенциала с помощью элект-
ронных пушек [10].
На основании анализа совокупности отказов, объясняемых электризацией КА, и
данных о возникновении ЭСР было установлено, что такие события происходят пре-
имущественно в ночные и ранние утренние часы Такое распределение событий в
течение суток логично объяснялось прохождением КА через плазменный слой и ин-
жекцией горячей плазмы на ГСО из области хвоста магнитосферы с последующим ее
дрейфом в утренний сектор.
Исследования, включающие весь ком-
плекс обозначенных выше вопросов, были
проведены также на ряде отечественных
геостационарных КА [32-35, 54]. Изучались
характеристики потоков частиц магнито-
сферной плазмы, производились измерения
напряженности электрического поля вблизи
различных участков поверхности КА, про-
водились эксперименты по активному регу-
лированию потенциала КА с помощью
плазменных ЭРД [55-57].
Совокупность полученных по результа-
там многих измерений [4] данных о зависи-
мости потенциала геостационарных КА от
геомагнитного индекса Кр приведена на
рис. 1.8.20. Видно, что разброс значений
Рис. 1.8.20. Зависимость отрицательного
потенциала геостационарных КА
от геомагнитного индекса Кр
266
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.8.21. Усредненные зависимости ср
от температуры плазмы: 1 - в тени Земли;
2 - на освещенных участках орбиты
потенциала достаточно велик, что опреде-
ляется отличиями характеристик плазмы в
разных измерениях, конструктивными осо-
бенностями конкретных КА и параметрами
их материалов.
В настоящее время мониторинговые
измерения как параметров плазмы в облас-
ти ГСО, так и эффектов электризации про-
водятся с помощью KALANL [58]. Систе-
матизированные результаты обработки дан-
ных КА LANL, полученных за последние
годы, представлены в [59], где, в частнос-
ти, приведены зависимости потенциала КА
ср от температуры окружающей плазмы Те
(рис. 1.8.21).
1.8.5.2. Исследования параметров электризации геостационарных КА «Горизонт»
и «Электро» с помощью бортовых спектрометров электронов и ионов
В состав аппаратурных комплексов, устанавливавшихся на геостационарных КА,
входили спектрометры, предназначенные для исследования характеристик электро-
нов и протонов горячей магнитосферной плазмы [32-35]. С помощью этих приборов
получалась информация о потоках горячей магнитосферной плазмы, необходимая
для анализа процессов заряжения КА. Однако, помимо этого, в определенных усло-
виях из показаний спектрометров могут быть непосредственно получены данные о
значениях электрических потенциалов, возникающих на КА, и о динамике процессов
заряжения.
На рис. 1.8.22 показано изменение в течение нескольких часов потоков электро-
нов, регистрируемых в разных энергетических каналах бортового спектрометра элек-
тронов, который был установлен на одном из геостационарных КА серии «Гори-
зонт» Интервал значений средних энергий регистрируемых электронов в каналах
спектрометра указан в правой части рис. 1.8.22.
Представленные на рис. 1.8.22 результаты были получены в период весеннего
равноденствия 22 марта 1993 г В условиях равноденствия геостационарные КА на
ночной стороне магнитосферы в течение примерно одного часа находятся в тени
Земли. В отсутствие освещения поверхности КА прекращается ток фотоэлектронной
эмиссии, что, как указывалось выше, может приводить к значительному росту вели-
чины отрицательного потенциала КА. В этом случае электрическое поле, возникаю-
щее в окрестности КА, тормозит электроны, движущиеся к его поверхности из окру-
жающей плазмы, что непосредственно отражается на показаниях спектрометров.
Характерный провал в относительно монотонном временном ходе показаний спект-
рометра в районе 18-19 UT (всемирное время) соответствует нахождению КА в тени
Земли. Анализ уменьшения величин потоков электронов, регистрируемых в каналах
спектрометра, позволяет оценить величину отрицательного потенциала КА. Более
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
267
17:00 18:00 19:00 UT
Рис. 1.8.22. Характерное изменение
показаний спектрометра электронов
при прохождении геостационарного КА
через тень Земли
Рис. 1.8.23. Регистрируемые энергетические
спектры электронов до входа КА
в тень Земли (верхние кривые)
и при пересечении тени (нижние кривые)
точные расчеты потенциала могут быть сделаны на основании физико-математиче-
ской модели электризации, рассмотренной выше.
При проведении модельных расчетов используются энергетические спектры элек-
тронов, зарегистрированные спектрометром до входа КА в тень Земли и во время
прохождения тени. Примеры таких спектров представлены на рис. 1.8.23. Видно, что
в тени Земли наблюдается значительное уменьшение регистрируемых потоков элек-
тронов (нижние кривые на рисунке) по сравнению с их исходными величинами
(верхние кривые). При этом для энергий электронов ~10 кэВ показания спектрометра
практически не претерпевают изменений, т. е. на движение электронов с такими
энергиями электрическое поле отрицательно заряженного КА не оказывает влияния,
что сразу позволяет сделать ориентировочную оценку величины отрицательного по-
тенциала КА, которая уточняется на основании результатов модельных расчетов.
Аналогичные оценки и расчеты могут быть сделаны и на основании показаний бор-
товых спектрометров, регистрирующих дифференциальные энергетические спектры
положительных ионов магнитосферной плазмы. В этом случае характер наблюдае-
мых изменений спектров иной, поскольку регистрируемые спектрометром положи-
тельные ионы приобретают дополнительную энергию в электрическом поле отрица-
тельного заряженного КА.
Выше отмечалось, что значение отрицательного потенциал КА коррелирует с ве-
личиной потока электронов плазмы, имеющих энергию более 10-20 кэВ, т. е. для
реализации условий заряжения КА до высоких потенциалов в энергетическом спект-
ре электронов высокотемпературная составляющая (&Г2) должна быть отчетливо вы-
ражена, т. е. энергетический спектр должен быть достаточно жестким.
На основании выполненных в НИИЯФ МГУ исследований была произведена
классификация регистрируемых электронных спектров по указанному признаку в
связи с наблюдаемыми уровнями заряжения КА Регистрируемые спектры были раз-
делены на четыре группы, показанные на рис. 1.8.24.
1-я группа - мягкие спектры вне плазменного слоя в спокойной геомагнитной об-
становке (рис. 1.8.24а). Плотность потока высокоэнергичной составляющей в таких
спектрах низка, средняя энергия частиц в спектре около 2 кэВ или ниже. Потенциал
КА при воздействии таких потоков близок к нулевому значению и существенно не
изменяется даже в тени Земли.
268
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
2-я группа - спектры в плазменном слое при невысоких значениях потока высоко-
энергичной составляющей энергетического спектра (рис. 1.8.246). Средняя энергия в
таких спектрах около 3 кэВ, а потенциал КА в этих условиях также невысок.
3-я группа - спектры в плазменном слое при значительных интенсивностях высо-
коэнергичной составляющей спектра (рис. 1.8.24в). Средняя энергия спектров не ме-
нее 4 кэВ. Потенциал КА при воздействии таких потоков возрастает до 2-3 кВ в тени
Земли в периоды весеннего и осеннего равноденствий.
4-я группа - спектры с интенсивной высокоэнергетической составляющей, для
которых средняя энергия более 5 кэВ (рис. 1.8.24г). Воздействие потоков с такими
спектрами на КА приводит к существенному отрицательному заряжению не только в
тени Земли, но и на освещенных участках траектории.
Энергия электронов Е, кэВ
Рис. 1.8.24. Классификация энергетических спектров электронов по степени влияния
на процесс заряжения
На рис. 1.8.25 приведены результаты спектрометрических исследований горячей
магнитосферной плазмы, выполненных на геостационарном КА «Электро». В этом
случае использовался электростатический анализатор с меньшим числом энергетиче-
ских каналов по сравнению с установленным на КА «Горизонт».
Рис. 1.8.25а показывает изменение потоков электронов в различных энергетиче-
ских каналах в течение нескольких часов, включая период пересечения аппаратом
тени Земли, который выделен вертикальными пунктирными линиями. Видно, что при
пересечении тени, как и в случае измерений на КА «Горизонт» (рис. 1.8.22), в пока-
заниях спектрометра формируется «провал», обусловленный появлением на КА от-
рицательного потенциала. Следует обратить внимание на увеличение потока элек-
тронов в энергетическом канале 11,2 кэВ, а также средней энергии электронов Еср в
спектре в часы, предшествующие входу КА в тень Земли. Энергетический спектр
электронов, таким образом, к моменту входа КА в тень стал достаточно жестким. Это
полностью согласуется с рассмотренной выше физической моделью электризации
КА (разд. 1.8.3.4).
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
269
а
б
Рис. 1.8.25. Потоки электронов (а) и протонов (б),
зарегистрированные в области ГСО с помощью
спектрометров КА «Электро» 13-14 сентября 1996 г.
Рис. 1.8.26. Случаи заряжения КА «Электро» на освещенных
участках орбиты и в тени Земли 12-13 сентября 1997 г.
270 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
На рис. 1.8.256 приведены аналогичные данные для протонного спектрометра. В
этом случае в области тени Земли наблюдаются возрастания потоков протонов, реги-
стрируемых в различных энергетических каналах. Наблюдаемые искажения показа-
ний протонного спектрометра обусловлены ускорением протонов отрицательным
потенциалом КА.
Результаты измерений, представленные на рис. 1.8.26, интересны тем, что в дан-
ном случае резкий рост потока электронов в энергетическом канале 11,2 кэВ и соот-
ветственно энергии 2Гср начался во время нахождения КА в тени Земли.
Отметим, что в данном случае кратковременные уменьшения потоков электро-
нов, регистрируемых в низкоэнергетических каналах спектрометра (~0,2—0,5 кэВ),
коррелирующие с возрастанием потока в канале 11,2 кэВ, наблюдаются и на осве-
щенной части орбиты (слева от области тени). Однако здесь отрицательный потен-
циал, определяемый по глубине наблюдаемого «провала», существенно ниже, чем в
тени Земли.
По результатам измерений на КА «Электро» был получен большой массив дан-
ных, характеризующих искажения регистрируемых электронных спектров при заря-
жении аппарата в тени Земли. На рис. 1.8.27 приведены примеры таких данных для
нескольких случаев входа КА в тень Земли. Верхние группы кривых показывают
спектры, зарегистрированные до входа в тень, а нижние - в тени Земли. Видно, что
эти данные в целом подобны полученным на КА «Горизонт» (рис. 1.8.23), но степень
искажений спектров может быть различной в зависимости от исходных параметров
плазмы.
На рис. 1.8.28 приведены результаты расчета энергетических спектров электронов
(а) и протонов (б), регистрируемых при различных значениях отрицательного потен-
циала КА. Исходные спектры аппроксимируются двухтемпературной максвеллов-
ской функцией. Видно, что характер изменений спектров с увеличением потенциала
хорошо согласуется с экспериментальными данными, приведенными на рис. 1.8.23,
Поток, см 2-с ’ ср ’-кэВ 1
Рис. 1.8.27. Изменения регистрируемых электронных спектров при входе КА в тень Земли
Энергия электронов Е, кэВ
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
271
Рис. 1.8.28. Энергетические спектры регистрируемых электронов (а) и протонов (б),
рассчитанные при различных значениях отрицательного потенциала КА ф, [кВ]:
1 - 0; 2 - 0,5; 3 - 1,0; 4 - 2,0; 5 - 3,0; 6-10,0
1.8.27, а формирование узких пиков в протонных спектрах - подобно данным
рис. 1.8.256. Результаты подобных расчетов позволяют более точно определить зна-
чения потенциала КА из экспериментальных данных.
L8.5.3. Особенности электризации пизкоорбитальпых КА в полярных областях
Спектрометры с электростатическими анализаторами были установлены также
на КА «Метеор», орбита которого близка к круговой с высотой ~1 000 км и накло-
нением -99° [35]. При пересечении данным КА авроральных овалов и областей
полярных шапок в обоих полушариях наблюдались характерные для этих областей
потоки частиц. При этом, несмотря на дискретность структуры областей высыпа-
ния потоков авроральных электронов, во многих случаях наблюдалось заряжение
КА до отрицательных потенциалов —0,3—1,5 кВ в течение всего времени пересече-
ния авроральных овалов, составлявшего
несколько минут.
На рис. 1.8.29 показан пример изме-
нения потоков регистрируемых элект-
ронов в энергетических каналах спект-
рометра КА «Метеор» при пересечении
аврорального овала в интервале времени
06:43:57-06:45:57 UT. Увеличению пото-
ков, регистрируемых в высокоэнсргети-
ческих каналах ~11-5 кэВ, соответствует
снижение потоков в низкоэнергетических
каналах ~0,1-0,5 кэВ. Таким образом, в
данном случае в показаниях спектрометра
также формируется «провал», подобный
рассмотренному выше на примерах данных
геостационарных КА.
Рис. 1.8.29. Изменение показаний
электронного спектрометра КА «Метеор»
при пересечении аврорального овала
272 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.8.30. Энергетические спектры
электронов, зарегистрированные
до входа КА в авроральный овал (1)
и внутри овала (2)
На рис. 1.8.30 показаны энергетические
спектры электронов, зарегистрированные
перед входом КА в авроральный овал (1) и
внутри овала (2). Спектр (2) соответствует
появлению потока авроральных электро-
нов с энергиями больше 1 кэВ.
1.8.5.4. Исследование электризации КА
с помощью вибрационных датчиков
На отечественных КА разных типов
для измерения напряженности поля вбли-
зи поверхности аппаратов применялись
вибрационные датчики, конструкция ко-
торых показана на рис. 1.8.31 [55,56]. В
основу работы таких датчиков положен
принцип электростатической индукции.
Чувствительным элементом датчика является электрод, периодически выдвигаемый с
помощью соленоида из экранирующей оболочки в область измеряемого электриче-
ского поля. Амплитуда переменного сигнала, индуцируемого на электроде, пропор-
циональна напряженности поля. Частота колебаний электрода —100 Гц, диапазон из-
меряемых значений напряженности поля 0-200 кВ-м"1. Диаметр датчика 26 мм, вы-
сота 60 мм, вес 60-70 г.
Такие датчики использовались уже в ранних исследованиях эффектов электриза-
ции на КА «Горизонт» в комплекте аппаратуры, позволявшей также измерять раз-
ность потенциалов между общей шиной питания и корпусом КА и импульсные по-
мехи, создаваемые ЭСР [55]. В дальнейшем подобная аппаратура устанавливалась на
КА «Экспресс», «Галс», ГЛОНАСС и др. [56].
Пример записи сигналов двух датчиков описанного типа, установленных на
КА «Экспресс-11» в разных точках, показан на рис. 1.8.32. По оси абсцисс отложено
Разъем
Рис. 1.8.31. Конструкция вибрационного датчика
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
273
Рис. 1.8.32. Пример записи сигналов датчиков электрического поля
КА «Экспресс-11» в период геомагнитной бури
время, а по оси ординат - напряженность электрического поля в относительных еди-
ницах. Продолжительность измерений в рассматриваемом случае составляла около
двух суток, во время которых наблюдались геомагнитные возмущения. Зарегистри-
рованные значения напряженности поля лежат в диапазоне ±20 кВ-м”1, что, по оцен-
кам [56, 57], соответствует значениям потенциала КА до 8-15 кВ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чан П., ТэлботЛ., Турян К. Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме. М.: Мир,
1978, 201 с.
2. Акишин А.И., Новиков Л.С. Электризация космических аппаратов. М.: Знание, 1985, 64 с.
3. Милеев В.Н., Новиков Л.С. Физико-математическая модель электризации ИСЗ на геостационарной и
высокоэллиптических орбитах. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, вып. 86,
1989, с. 64-98.
4. Акишин А.И., Новиков Л.С. Физические процессы на поверхности искусственных спутников Земли.
М.: Изд-во МГУ, 1987, 89 с.
5. Грингауз К.И., Зеликман М.Х. Измерение концентрации положительных ионов вдоль орбиты искусст-
венного спутника Земли. УФН, 1957, т. 63, вып. 16, с. 239-252.
6. Frederickson A.R., Benson С.Е. Improved testing procedures for spacecraft discharge pulses. In Proc.7th
Spacecraft Charging Technology Conference, 2001, ESA, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, pp. 109-114.
274 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
7. Amorim Е. et al. Vacuum arcs: Literature review and common characteristics with secondary arcs on solar arrays.
In Proc. 7th Spacecraft Charging Technology Conference, 2001, ESA, ESTEC, Noordwijk, NL, 177-182.
8. De Forest S.E. Spacecraft charging at synchronous orbit. Joum. of Geophys. Res., 1972, v. 77, pp. 651-659.
9. Чернявский Г.М., Графодатский O.C., Козлов AT. Анализ сбоев бортовой радиоэлектронной аппара-
туры геостационарных спутников связи. М.: ЦНТИ «Поиск», СИП, 1981, сер. 1, № 12.
10. Garrett Н.В. The charging of spacecraft surfaces. Rev. of Geophys. and Space Physics, 1981, v. 19, No 4,
pp. 577-616.
11. 6th Spacecraft Charging Conference, 1998, Air Force Research Laboratory, Hanscom AFB, MA, USA.
12. 7th Spacecraft Charging Technology Conference, 2001, ESA, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands.
13. 8th Spacecraft Charging Technology Conference, 2003, Hunsville, USA, NASA/CP-2004-213091.
14. 9th Spacecraft Charging Technology Conference, 2005, Tsukuba, Japan.
15. Katz I. et al. Spacecraft charging interactive handbook. In Proc. 7th Spacecraft Charging Technology Confer-
ence, 2001, ESA, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, pp. 189-196.
16. Новиков Л.С., Бабкин Г.В., Морозов Е.П., Колосов С.А., Крупников К.К., Милеев В.Н., Саенко В.С. Ком-
плексная методология определения параметров электростатической зарядки, электрических полей и про-
боев на космических аппаратах в условиях их радиационной электризации. М.: ЦНИИмаш, 1995, 160 с.
17. Добрецов Л.Н., Гомоюнов М.В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966, 564 с.
18. Бронштен И.М., Фрайман Б.С. Вторичная электронная эмиссия. М.: Наука, 1969, 407 с.
19. Wills R.F., Skinner D.К. Secondary electron emission yield behavior of polymers. Solid State Communica-
tions, 1973, v. 13, No 5, pp. 685-688.
20. Stemglass E.J. Backscattering of kilovolt electrons from solids. Phys. Rev., 1954, v. 95, p. 345.
21. Whipple E.C. Potentials of surface in space. Rep. Prog. Phys., 1981, v. 44, pp. 1197-1250.
22. Wurtz L.J., Tapp C.M. Secondary electron emission from scandium, erbium, scandium deuteride under deu-
teron bombardment. Joum. Appl. Phys., 1972, v. 43, No 8, pp. 3318-3324.
23. Musket R.G. Proton-induced electron emission from characterized niobium surface. Joum. Vac. Sci. Tech.,
1975, v. 12, No 1, pp. 444-447.
24. Thorton T.A., Anno J.N. Secondary electron emission from 0.5-2.5 MeV protons and deuterons. Joum. Appl.
Phys., 1977, v. 48, No 4, pp. 1718-1719.
25. Garret H.B. Review of quantitative models of the 0- to 100-keV near Earth plasma. Rev. Geophys. Space.
Phys., 1979, v. 17, No 3, pp. 397-417.
26. Garret H.B., Schwank D.C., De Forest S.E. A statistical analysis of the low-energy geosynchronous plasma
environment. I. Electrons. Planet. Sp. Sci., 1981, v. 29, No 10, pp. 1021-1044.
27. Garret H.B., Schwank D.C., De Forest S.E. A statistical analysis of the low-energy geosynchronous plasma
environment. 2. Ions. Ibid., pp. 1045-1060.
28. Крупников K.K., Лазарев В.И., Марьин Б.В., Милеев В.Н., Новиков Л.С. Исследования энергетических
спектров электронов на геостационарной орбите. В кн.: Исследования по геомагнетизму, аэрономии и
физике Солнца, 1986, вып. 75, с. 78-86.
29. Белоусова Т.Я., Власова Н.А., Горяйнов М.Ф. и др. Исследование ионного состава на геостационарной
орбите. Предварительные результаты. Космические исследования, 1986, т. 24, № 6, с. 909-916.
30. Stannard P.R. et al. Analysis of the charging of the SCATHA (P78-20) satellite. NASA CR-165348, 1981.
31. Gussenhoven M.S., Mullen E.G. SCATHA retrospective: Satellite frame charging and discharging in the near-
geosynchronous environment. In Proc. 6th Spacecraft Charging Conference, 1998, Air Force Research Labo-
ratory, Hanscom AFB, MA, USA, pp. 237-242.
32. Krupnikov K.K., Mileev V.N., Novikov L.S., Pavlov N.N., Sosnovets E.N., Teltsov M.V., Tverskoy B.A., Vlaso-
va N.A. Measurement of hot magnetospheric plasma at geosynchronous orbit and charging effects. ESA
Symp. In Proc, on Environment Modelling for Space-based Applications, ESTEC, Noordwijk, NL, 1996,
SP-392, pp. 191-196.
33. Krupnikov K.K., Mileev V.N., Novikov L.S., Pavlov N.N., Sosnovets E.N., Teltsov M.V. Charging of Geo-
stationary Satellite as is from the Data of Hot Plasma Spectrometers. In Proc. 6th Spacecraft Charging Tech-
nology Conference, Air Force Research Laboratory, Hanscom AFB, MA, USA, 1998, pp. 37-38.
ГЛАВА 1.8 ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ 275
34. Novikov L.S., Mar’in B.V., Mileev V.N., Pavlov N.N., Sosnovets E.N., Tel’tsov M.V., Grafodatsky O.S.,
Feigin V.M., Khodnenko V.P. Research of geosynchronous spacecraft charging effects in terms of the on-
board hot plasma spectrometer data. In: Proc. 7th Spacecraft Charging Technology Conference, 2001, ESTEC,
Noordwijk, NL, SP-476, pp. 321-324.
35. Крупников K.K., Марьин Б.В., Милеев B.H., Новиков Л.С., Тельцов М.В., Фейгин В.М., Ходненко В.П.
Анализ эффектов электризации геостационарных ИСЗ «Горизонт» и «Электро» по данным бортовых
спектрометров горячей магнитосферной плазмы. Космонавтика и ракетостроение, 2003, т. 1(30),
с. 156-161.
36. Lai S.T. Spacecraft charging at geosynchronous altitudes: New evidence of existence of critical temperature.
Joum. Spacecraft and Rockets, 2001, v. 8, pp. 922-928.
37. Davis V.A., Mandell M.J., Thomsen M.F. Representation of the geosynchronous plasma environment for
spacecraft charging calculations. In: Proc. 8th Spacecraft Charging Technology Conference, 2003, Huntsville,
USA, NASA/CP-2004-213091.
38. Purvis C.K., Garrett H.B., Whittlesey A., Stevens N.J. Handbook of Design guidelines for assessing and con-
trolling spacecraft charging effects. 1984, NASA Technical Paper 2361.
39. Space engineering: Space environment, 2000, ESA ECSS-E-10-04A, 195 p.
40. Space environment for USAF space vehicles. MIL-STD-1809(USAF), 1991.
41. Garret H.B. The geosynchronous plasma environment. AIAA Paper 90-0289, 1999, 16 p.
42. Альперт Я.Л., Гуревич A.B., Питаевский Л.П. Искусственные спутники в разреженной плазме. М.: На-
ука, 1964, 382 с.
43. Katz I., Parks D.E. Space shuttle orbiter charging. Joum. of Spacecrafts and Rockets, 1983, v. 20, pp. 22-25.
44. Parker L.W. Contribution to satellite sheath and wake modeling. In: Proc, of the 17th Symposium on Space-
craft/Plasma Interaction, ESASP-198, Noorwijk, Netherlands, 1983, pp. 81-100.
45. Olsen R.C. A threshold for spacecraft charging. Joum. Geophys. Res., 1983, v. 88, No Al, pp. 439-499.
46. Фридрихов C.A., Мовнин C.M. Физические основы электронной техники. М.: Высшая школа, 1982, 608 с.
47. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизованных газах. М.: Мир, 1967, 832 с.
48. Бауэр 3. Физика планетных атмосфер. М.: Мир, 1976, 251 с.
49. Kieffev L.J., Duner G.H. Electron impact ionization cross-section data for atoms, atomic ions and diatomic
molecules: 1. Experimental data. Rev. Modem Phys., 1966, v. 38, No 1, pp. 1-35.
50. Искусственные пучки частиц в космической плазме. Под ред. Гранналя Б. М.: Мир, 1985, 451 с.
51. Rubin A, Garrett Н.В., Wendel А.Н. Spacecraft charging on ATS-5. AFGL-TR-80-0168, ADA-090-508, 1980.
52. Mullen E.G., Gussenhoven S. SCATHA environmental atlas. AFRL-TR-83-0002, AD-A131456, 1983.
53. Koons H.C., Fennell J.F., Hall D.F. A summary of the engineering results from the Aerospace corp, experi-
ments on the SCATHA spacecraft. In: Proc. 6th Spacecraft Charging Conference, 1998, Air Force Research
Laboratory, Hanscom AFB, MA, USA, pp. 243-249.
54. Панасюк М.И., Сосповец Э.Н., Тельцов M.B. Исследование радиации в космическом пространстве.
В кн.: Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия, т. 16. Воздействие космической сре-
ды на материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. Новикова Л.С., Панасюка М.И.
М.: ЭНЦИТЕХ, 2000, с. 42-97.
55. Вакулин Ю.И., Графодатский О.С., Гусельников В.И., Дегтярев В.И., Жеребцов Г.А., Исляев Ш.Н., Кочи-
ев А.А., Платонов О.И., Попов Г.В., Фрумин Л.Л. Основные геофизические закономерности электриза-
ции геостационарных спутников связи «Горизонт». Космические исследования, 1989, т. 27, № 1, с. 102-112.
56. Guselnikov V.I., Kocheev А.А., Prokopiev U.M., Grafodatsky O.S., Islyaev Sh.N. General effects of charging
of geostationary spacecraft. Turkish Journal of Physics, 1996, v. 20, No 8, pp. 929-935.
57. Guselnikov V.I., Kocheev A.A., Prokopiev Yu.M., Grafodatsky O.S. In flight results of spacecraft charging
investigation for Russian high altitude satellites. In: Proc. 6th Spacecraft Charging Technology Conference,
AFRL-VS-TR-20001578, 2000, pp. 21-26.
58. McComas D.J., Bame S.J., Barraclough B.L., Donart J.R., Elphic R.C., Gosling J.T., Moldwin M.B., Moore K.R.,
Thomsen M.F. Magnetospheric Plasma Analyzer (MPA): Initial three-spacecraft observations from geosyn-
chronous orbit. Joum. Geophys. Res., 1993, v. 98, p. 13453.
59. Lai S.T., Tautz M., Quigley S. Operational tool for spacecraft charging assessments and real-time warnings
(Project AHX). Johns Hopkins University, 2003, 69 p.
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Новиков Л.С.1, Милеев В.Н.1, Маклецов А.А.1, Крупников К.К.1, Синолиц В.В.1;
(разд. 1.9.3.3; 1.9.4.4) Малько В.Г.2, Плохих А.П.2;
(разд. 1.9.4.5) Саенко В.С.3, Тютнев А.П.3
1 НИИ ядерной физики МГУ
2 Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики
3 Московский государственный институт электроники и математики
Список сокращений
БКС бортовая кабельная сеть МКЭ метод конечных элементов
ГСО геостационарная орбита СЭМ структурная электрофизическая модель
МИУ метод интегральных уравнений ЭРД электроракетный двигатель
МКР метод конечных разностей ЭСР электростатический разряд
ВВЕДЕНИЕ
Как уже отмечалось в гл. 1.8, реальный космический аппарат (КА), имеющий
сложную конфигурацию и неоднородную поверхность, значительная часть которой
покрыта диэлектрическими материалами с разными электрофизическими свойства-
ми, заряжается дифференциально. Для каждого элемента поверхности КА справедли-
вы рассмотренные в предыдущей главе физические закономерности накопления
электрического заряда, которые могут быть выражены в виде локального уравнения
баланса токов для рассматриваемого элемента. Однако процессы заряжения элемен-
тов поверхности реального КА являются взаимосвязанными. Такая связь проявляется
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
277
через влияние потенциалов других элементов поверхности на процессы обмена заря-
женными частицами рассматриваемого элемента с окружающей плазмой и поверх-
ностью КА и через токи проводимости, текущие между соседними элементами и на
общий металлический корпус КА. Емкостные связи между элементами поверхности
и корпусом оказывают значительное влияние на величины зарядов, накапливаемых
на поверхности диэлектрических покрытий, и на временные характеристики процес-
сов заряжения. Таким образом, уравнения баланса токов для каждого элемента обра-
зуют связанную систему, решение которой и позволяет определить заряды и потен-
циалы на каждом элементе поверхности КА.
Задачами математических моделей, предназначенных для анализа дифференци-
ального заряжения реальных КА, являются:
• адекватное математическое описание конструкции КА, включая расположение
и свойства конструкционных материалов;
• выполнение дискретизации поверхности расчетной геометрической модели КА
и прилегающего пространства;
• построение системы уравнений, описывающей процессы электризации всех
выделенных элементов поверхности;
• решение созданной системы уравнений;
• численное и графическое представление результатов расчетов.
Наиболее важными результатами такого моделирования являются распределения
потенциала и напряженности электрического поля на поверхности КА и в прилегаю-
щем пространстве, анализ которых позволяет выявить области возможного возник-
новения электростатических разрядов (ЭСР) и предложить пути снижения опасности
их появления.
Математические модели дают возможность учесть при анализе электризации ра-
боту бортового оборудования, создающего дополнительные токи в окрестности КА:
плазменных электроракетных двигателей (ЭРД), инжекторов заряженных частиц
и т. п. Обычно модели включают процедуру расчета траекторий движения электро-
нов и ионов в окрестности КА, которая используется как при вычислении локальных
токов на элементах поверхности, так и при решении различных задач, связанных с
анализом движения пучков частиц в собственном электрическом поле КА.
Первой математической моделью такого типа являлась модель NASCAP (США)
[1], созданная в конце 1970-х гг. для анализа электризации геостационарных КА.
Несколько позднее аналогичные модели были созданы в нашей стране: модель
НИИЯФ МГУ COULOMB [2-6] и модель Красноярского государственного универ-
ситета «ЭКО-М» [7-9]. В дальнейшем были разработаны модели, предназначен-
ные для анализа электризации КА на низких околоземных и полярных орбитах
(NASCAP-LEO [10], POLAR [11], НИИЯФ МГУ LEO [12, 13]). Предложены также
модели, предназначенные для анализа электризации КА с учетом работы бортового
плазменного оборудованиях [14-17].
Последующие версии программы NASCAP, в частности программный комплекс
NASCAP-2K, описаны в работах [18-21]. Французскими специалистами создана
программа SPARCS [22]. Работы европейских ученых по созданию современной
унифицированной модели электризации проводятся в рамках проекта SPIS [23, 24].
Современные версии моделей НИИЯФ МГУ описаны в работах [25-29].
278 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
В настоящей главе на примере моделей НИИЯФ МГУ подробно рассматриваются
основные принципы и методы расчетного анализа дифференциального заряжения
реальных КА. Приведены примеры результатов расчетов. Рассмотрены также отли-
чительные особенности и возможности основных зарубежных моделей.
1.9.1. Основные расчетные соотношения
Для анализа процессов заряжения в космической плазме тел простой формы (сфе-
ра, цилиндр, плоскость) используется методика, основывающаяся на теории плаз-
менного зонда [30], которая была рассмотрена в гл. 1.8. При исследовании электри-
зации тел сложной формы практически невозможно получить аналитические выра-
жения, описывающие токи первичных и вторичных частиц. Величины этих токов
различны на разных участках поверхности. Токи первичных и вторичных частиц
должны определяться путем многократного решения уравнения движения отдельных
частиц в электрическом поле вокруг тела, т. е. на основании расчета траекторий от-
дельных частиц [31]. В результате для каждого элемента поверхности тела, опреде-
ляемого как ячейка сетки, с помощью которой производится дискретизация поверх-
ности, может быть решено уравнение баланса токов и вычислен потенциал элемента
поверхности.
Распределение потенциала в окрестности тела находится путем решения рассмат-
риваемой ниже системы уравнений в трехмерном пространстве. Для реализации та-
кого решения пространство вокруг тела каким-либо образом разбивается на отдель-
ные элементы путем построения трехмерных сеток, которые в общем случае могут не
согласовываться с двумерными сетками на поверхности тела. Полное решение задачи
проводится путем временных итераций. Принципы и основные методы решения
подобных задач рассмотрены в [2,4, 28, 29].
1.9.1.1. Система уравнений электризации
Общая схема математического моделирования электризации КА в космической
плазме основывается на следующих основных положениях.
1. Распределение частиц космической плазмы и вторичных частиц по скоростям v
и координатам г в момент времени t описывается функциями fa(y, г, /), удовлетво-
ряющими бесстолкновительному уравнению Власова:
v^2. + i2-^K^. = 0, (1.9.1)
Sr та dr 5n
где индекс а соответствует частицам с массой та и зарядом qa.
2. Потенциал U(f) в точке г в момент времени t удовлетворяет уравнению Пуас-
сона:
ДС7(г,/) = - 4яр(г,/), (1.9.2)
где р - плотность пространственного заряда, определяемая соотношением:
Р(г>0 = £ Jdv/a(v,r,Z). (1-9.3)
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
279
В случаях, когда пространственным зарядом можно пренебречь, что характерно
для высоких орбит КА, в частности для геостационарной орбиты (ГСО), использует-
ся уравнение Лапласа.
3. Взаимодействие частиц плазмы и квантов солнечного излучения с поверх-
ностью КА описывается системой уравнений связи:
/a(v>r>0= j4/v'(v'-n)^Fo->a’(v,v',n)/a.(v',r,0, (1-9.4)
a'
где коэффициенты Fa->a (v, v',n) являются вероятностями переходов ансамблей час-
тиц из одного состояния в другое; п - нормальный вектор к поверхности КА.
4. Плотность тока на поверхности КА с учетом внутренних токов проводимости
задается выражением:
j(г, t, U) = £ Jt/v qa (v • n)/a (v, г, /) + jcond (r, t, U), (1.9.5)
a
где jCond(r, t,U)- плотность массовых токов проводимости.
5. Плотность заряда на диэлектрических элементах поверхности определяется
путем интегрирования плотности тока по времени экспозиции:
ст(г,/)= p(r,/')cft'. (1.9.6)
/
6. Полный заряд, накопленный на поверхности S:
Q(t)=jdSjj(r,t’)dt'. (1.9.7)
S t
1.9.1.2. Граничные условия для разных типов элементов поверхности КА
Типичный КА имеет общий металлический корпус, наружная поверхность кото-
рого покрыта слоями диэлектриков (краски, терморегулирующие покрытия, защит-
ные стекла и т. д.) с толщиной много меньше характерных размеров КА. Металли-
ческие конструкции КА могут быть также частично или полностью открытыми и
подвергаться воздействию частиц космической плазмы. Особо необходимо выде-
лить элементы конструкции КА в виде тонких пластин, одна или обе стороны ко-
торых покрыты диэлектриком. В общем случае КА может состоять из нескольких
металлических конструкций, соединенных между собой различными электриче-
скими цепями (активные сопротивления, емкости, индуктивности) или электри-
чески независимых.
При решении электростатической задачи для рассмотренных элементов конст-
рукции КА необходимо записать граничные условия разных типов.
Тонкий слой диэлектрика па металлическом основании
В этом случае граничные условия на поверхности диэлектрика записываются в
приближении плоского конденсатора, образуемого слоем заряда на диэлектрике с
плотностью с и металлической подложкой:
280
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
(1.9.8)
где е - диэлектрическая проницаемость материала; d - толщина диэлектрика;
dU/dn - нормальная производная потенциала U на поверхности диэлектрика; Uc -
потенциал металлического основания.
Открытая металлическая поверхность
В этом случае граничное условие для поверхности проводника Sc определяется из
теоремы Гаусса:
\^-dS = -^Qc.
s
(1-9.9)
Металлическая пластина, покрытая тонким слоем диэлектрика с обеих сторон,
или тонкая диэлектрическая пластина
Для таких элементов граничные условия формулируются в виде системы уравне-
ний, описывающих эффективную плотность заряда cyeff одинарного электрического
слоя и плотность электрического момента ц двойного электрического слоя на двух
сторонах этой поверхности с потенциалами U\ и U2:
^Г)_^)=4ТОсИг),
СП х />
on on
(1.9.10)
Ц(г)-^2(г) = 4тф.
(1.9.11)
Тонкий диэлектрик на тонком открытом металлическом основании
Граничные условия в этом случае представляют комбинацию предыдущих рас-
смотренных условий:
+ $7 (U (г, t) - Uc (0) = 4лст(г, /), (1.9.12)
он а(г)
J7(r)-f7c(r) = 4лц, (1.9.13)
(^LdS = -4nQc. (1.9.14)
/ on
1.9.1.3. Методы решения электростатической задачи
Для численного решения уравнений Лапласа или Пуассона применительно к рас-
сматриваемому классу задач могут быть использованы следующие методы: конечных
разностей, конечных элементов и интегральных уравнений.
Метод конечных разностей (МКР) [32] применялся на ранних этапах развития
моделей электризации КА на низких орбитах [33]. В этом методе вокруг упрощенной
модели КА строится трехмерная регулярная сетка с шагом h по координатам х, у, z,
размеры которой достаточны, чтобы на ее границе задать для потенциала нулевые
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИКА.
281
значения. На такой сетке конечно-разностное приближение уравнения Пуассона
имеет вид:
(Ц+МЛ + Ц->.м + +^.л*+1 + Ц.М-. =-4лр/1М, (1.9.15)
где значения потенциала U в узлах сетки с индексами {/,у, к}: = U(xhyj,z^. Ана-
логичные обозначения введены для плотности заряда р(х/,у7-,гД
В результате получается система конечно-разностных алгебраических уравнений
с размерностью, определяемой числом внешних по отношению к КА узлов сетки.
Матрица этой системы уравнений является сильно разреженной и обладает свойст-
вом диагонального преобладания. Поэтому для решения системы уравнений обычно
используются итерационные методы.
К достоинствам МКР относятся регулярность триангуляционной сетки, простота
получаемых систем линейных уравнений и хорошо разработанные методы их реше-
ния [34]. Однако в работах по электризации КА он не получил широкого распростра-
нения из-за жестких ограничений в возможностях описания на регулярных сетках
сложной геометрии реальных КА.
Метод конечных элементов (МКЭ) [35] гораздо более приспособлен, чем МКР,
для решения задач электростатики со сложными границами, отражающими форму
модели КА.
Метод основан на минимизации функционала энергии электрического поля:
X = j J((V<7(Г))2 - 8np(r)t7(r)) dV. (1.9.16)
В соответствии с алгоритмом МКЭ область интегрирования разбивается на боль-
шое число элементов простой формы (как правило, призм или тетраэдров), в каждом
из которых используется кусочно-линейная аппроксимация потенциала U. Получен-
ная триангуляционная сетка может являться нерегулярной, состоять из элементов
различных типов и иметь весьма сложную форму, отражающую особенности конфи-
гурации КА.
Минимум функционала % достигается при выполнении условий:
-^- = 0, (1.9.17)
образующих систему линейных уравнений относительно значений потенциала Uk в
узлах триангуляционной сетки. Матрица системы является разреженной и положи-
тельно определенной, поэтому для решения системы уравнений применяются те же
алгоритмы, что и в МКР.
Размерность решаемой системы уравнений, определяемая вычислительными воз-
можностями используемых компьютеров, и в настоящее время может достигать
100000 и более.
МКЭ был впервые использован в программе NASCAP [1] для описания электри-
зации КА на ГСО и затем применен (с большим основанием из-за особенностей этих
задач) в программах NASCAP/LEO [11], POLAR [12] и NASCAP-2K [20] для моде-
лирования электризации в плотной космической плазме на низких и полярных орби-
282
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
тах. Он также используется в моделях, разрабатываемых в рамках проекта SPIS [24],
и других европейских разработках [22].
Существенным недостатком МКЭ, который присущ и рассмотренному выше
МКР, является необходимость многократного решения системы уравнений при изме-
нении потенциалов на поверхности КА, что приводит к большим затратам процес-
сорного времени.
Метод интегральных уравнений
Как показали проведенные в НИИЯФ МГУ исследования, для численного мо-
делировании заряжения КА в разреженной космической плазме наиболее предпоч-
тительным и эффективным является метод интегральных уравнений (МИУ) [31],
называемый также методом граничных элементов [36]. В этом методе пространст-
венное распределение потенциала описывается следующим соотношением:
ДЧ JMC'XC-H”)д. t (1.9.18)
Лг-г1 s |r-rf rJ|r-r'|
При заданных указанными выше соотношениями граничных условиях для потен-
циала на поверхности КА, нормальной производной потенциала и полного заряда на
элементах конструкции КА, а также заданном распределении пространственного за-
ряда р(г) в окружающем КА пространстве, данное уравнение является интегральным
относительно плотности поверхностного заряда сг(г).
Для численного решения этого уравнения поверхность КА разбивается на эле-
менты, в качестве которых удобно использовать треугольники. Плотность поверх-
ностного заряда оу на каждом элементе считается постоянной. В результате такой э
дискретизации из интегрального уравнения (1.9.18) получается система линейных
уравнений относительно плотностей зарядов элементов ст/
^A,oy=t/;. (1.9.19)
J
Элементы матрицы кулоновского взаимодействия А,; определяются как
s'lr/-r/l
где Г; - радиус-вектор центр тяжести у-го треугольника, интегрирование по перемен-
ной г,- ведется по площади /-го треугольника. Диагональные элементы этой матрицы
имеют особенность при rz = г7, которая устраняется при интегрировании переходом в
полярную систему координат.
Эффективный потенциал поверхности /-го элемента Ц* в (1.9.19) определяется
как:
и- ,Vl _ rrt<)((r-r>n)rf5^ . (| 92|)
S |г-г'| /|г-г'|
Для решения системы линейных уравнений (1.9.19) относительно сг7 необходимо
построить обратную к А,; матрицу С,у, которая и дает искомое решение этой системы:
а-9-22)
/
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
283
Из этого соотношения видно, что Су является матрицей взаимных емкостей эле-
ментов поверхности КА.
После вычисления значений поверхностных плотностей заряда на всех элемен-
тах поверхности КА потенциал в любой точке пространства г может быть получен
из (1.9.18).
Сравнительный анализ эффективности методов решения электростатической
задачи
На основании проведенного рассмотрения методов решения электростатической
задачи и опыта их применения для моделирования электризации реальных КА можно
сделать следующие выводы.
Одна из главных особенностей МИУ состоит в том, что с помощью двумерной
расчетной сетки дискретизируется только поверхность КА, а в МКР и МКЭ исполь-
зуется пространственная трехмерная сетка в ограниченном расчетном пространстве.
Применяемая в МИУ геометрическая модель позволяет описывать особенности кон-
струкции КА с большей степенью подробности, чем в МКР.
Матрица кулоновского взаимодействия (1.9.20) в МИУ является плотной, и для ее
обращения используются хорошо разработанные прямые методы, при этом ее раз-
мерность значительно меньше, чем при расчетах по МКР и МКЭ. МИУ превосходит
другие рассмотренные методы и по точности расчета напряженности электрического
поля на поверхности КА, что особенно важно при анализе электризации КА.
При использовании МИУ для описания динамики заряжения КА матрица емко-
стей С,у рассчитывается один раз на подготовительном этапе вычислений и затем
многократно применяется в итерационных расчетах плотностей зарядов и полей, в то
время как в МКР и МКЭ приходится решать электростатическую задачу на каждом
временном шаге полностью.
Указанные преимущества МИУ реализуются при рассмотрении электризации
высокоорбитальных КА в разреженной плазме. В то же время для моделирования
процессов электризации низкоорбитальных КА в плотной ионосферной плазме [10]
более эффективен МКЭ, позволяющий проводить с меньшими вычислительными
затратами самосогласованные расчеты потенциала с учетом объемного заряда в
окрестности КА.
Для унификации математического обеспечения, используемого при построении
моделей, возможно применение МИУ для проведения анализа электризации как вы-
сокоорбитальных, так и низкоорбитальных КА.
1.9.1.4. Динамические уравнения заряжения КА
Далее более подробно рассмотрим методику анализа динамики процесса заряже-
ния КА. Для этого продифференцируем по времени локальное граничное условие для
каждого элемента диэлектрической поверхности (1.9.8) и интегральное соотношение
(теорему Гаусса) для заряда на полной поверхности КА:
(1.9.23)
ot on d(y)\ot ot )
284
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙСРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
[——dS = -^nJ. (1.9.24)
* dt dn
Для модели КА, разбитой, как было описано выше, на элементарные треугольни-
ки, получается линейная система дифференциальных уравнений:
d ( dU \
—--------ч-с/Ц - Uc) = 4яу. (для диэлектрических элементов), (1.9.25)
dt\ dn J
J (для всех элементов). (1.9.26)
Таким образом, развитие процесса заряжения КА во времени описывается сис-
темой связанных дифференциальных уравнений относительно потенциалов Uk на
элементарных треугольниках поверхности КА [15]:
^Д0 = ХС*/Л0,Ц), (1-9.27)
(1.9.28)
dt dn
где Gki - матрица, значения элементов которой рассчитываются для конкретной
конфигурации поверхности КА и заданных свойств материалов диэлектрического
покрытия.
В силу сложной зависимости плотности тока от потенциала решение данной сис-
темы уравнений может быть получено только путем численного интегрирования. Для
вычисления потенциалов Uk(t) необходимо решить в общем случае нелинейную сис-
тему уравнений (1.9.28).
Такие системы дифференциальных уравнений принято называть жесткими в связи
с тем, что они характеризуются большими отношениями времен протекания рассмат-
риваемых процессов и резко отличающимися зависимостями токов от потенциалов
элементов [Д, что и требует специальных методов решения.
Одним из наиболее эффективных методов является неявный многошаговый метод
Гира [37], обладающий более высокой точностью и быстродействием, чем одношаго-
вые методы. Разновидность этого метода с автоматическим выбором порядка и вре-
менного шага интегрирования используется для анализа динамики заряжения КА в
модели НИИЯФ МГУ COULOMB [7-8].
1.9.1.5. Методика расчета первичных и вторичных токов для сложного тела
Уравнение полного тока для элемента поверхности КА было рассмотрено выше в
гл. 1.8. Отмечалось, что все составляющие полного тока зависят от потенциала по-
верхности, причем для вторично-эмиссионных токов эта связь реализуется как через
величины первичных плазменных токов JQ и Jh так и через зависимость вторично-
эмиссионных коэффициентов от энергии £, с которой первичные частицы достигают
поверхности.
Для расчета первичных и вторичных токов, текущих через элементы поверхности
КА, в общем случае необходимо рассмотреть движение в собственном электриче-
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
285
ском поле КА заряженных частиц окружающей плазмы и частиц, эмитируемых с по-
верхности КА. В этом случае можно применить модель трубок тока [31], в которой
частицы, проходящие через площадку Д5, образуют элементарную трубку с током:
J=Jj(r)dS. (1.9.29)
AS
Форма трубки определяется по траектории какой-либо частицы, вылетающей с пло-
щадки AS.
Траектории движения частиц рассчитываются в трехмерной пространственной сет-
ке, дискретизирующей окружающее объект пространство, для чего на этой сетке пред-
варительно вычисляются значения вектора напряженности электрического поля:
or
Формулы численного интегрирования уравнения движения частицы с зарядом е
и массой т в электрическом поле E(r) = - dU/dr с точностью О(Д/„2) на шаге п име-
ют вид:
с 1
гя+1 = t -М—Е(г„ +-г„Д/„), (1.9.30)
т 2
г„+1 =г„+ -у (гя+1 +»•„)•
(1.9.31)
В общем случае расчет траекторий движения частиц является достаточно трудо-
емким из-за необходимости для достижения приемлемой точности выбора большого
числа шагов п и, следовательно, малых значений Atn.
Ситуация значительно упрощается, если электрическое поле предварительно рас-
считывается на трехмерной сетке, дискретизирующей окружающее КА пространство,
и величины напряженности поля Е считаются постоянными в пределах ячеек сетки
(рис. 1.9.1). В таком приближении движение частицы в ячейке описывается отрезком
траектории с постоянным ускорением, а время пролета и точка выхода частицы из
ячейки определяются аналитически. Координата и скорость частицы в этом случае
непрерывны при переходе из одной ячейки пространственной сетки в другую, а ве-
личина ускорения терпит разрыв.
Для ускорения вычислений исполь-
зуется упрощенная процедура расчета
плотности токов для элементов поверх-
ности сложного тела, основывающаяся
на уравнениях теории плазменного зон-
да, рассмотренных в гл. 1.8. В этом слу-
чае на основании траекторных расчетов
могут быть определены так называемые
«углы сбора» частиц для каждого эле-
мента поверхности, т. е. телесные углы,
из которых происходит собирание час-
тиц на рассматриваемый элемент. Кор-
Рис. 1.9.1. Элементарная ячейка пространства
при расчете траектории движения частицы
286
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
ректировка с помощью углов сбора анали-
тических выражений, используемых для
расчета токов в случае тел простой конфи-
гурации, упрощает процедуру расчета токов
для тел сложной конфигурации при обеспе-
чении достаточно высокой точности.
Расчет траекторий движения электронов
и ионов в поле заряженного КА имеет так-
же важное самостоятельное значение в та-
ких задачах, как анализ экспериментальных
данных бортовых спектрометров заряжен-
ных частиц, исследование процессов элект-
ризации КА в условиях работы ЭРД и др.
Как показывают расчеты, в некоторых слу-
чаях при немонотонной структуре электри-
ческого поля в окрестности КА траектории
заряженных частиц также могут быть весь-
ма сложными (рис. 1.9.2).
Рис. 1.9.2. Траектории движения
положительных ионов в поле
дифференциально заряженного КА
Особенности расчета токов на низких орбитах
Математическая модель заряжения КА на низких околоземных орбитах включает
в себя описание следующих факторов, воздействующих на поверхность КА:
• набегающий поток положительных ионов окружающей ионосферной плазмы
(так называемых «таранных ионов»);
• поток холодных электронов ионосферной плазмы, являющийся практически
изотропным;
• направленный поток авроральных электронов, воздействующих на КА с неко-
торой вероятностью на высокоширотных участках орбиты;
• поток солнечного света.
Воздействие указанных факторов, за исключением потока холодных ионосфер-
ных электронов, носит существенно анизотропный характер, что необходимо учиты-
вать при построении модели заряжения. Поэтому в модель необходимо включить
алгоритм, позволяющий на основании данных об ориентации КА определить, какие
элементы поверхности экранированы от воздействия того или иного фактора, а какие
подвергаются воздействию («задача освещения»).
Расчет тока положительных ионов на поверхность отрицательно заряженного тела
в плазме сводится, как указывалось выше, к математической задаче о движении час-
тиц вблизи притягивающего центра. Трудности при решении этой задачи возникают
вследствие сложной конфигурации объекта. В этом случае выражение для ионного
тока не может быть записано в явном виде. Поэтому для получения распределения
потенциала по поверхности КА при одновременном воздействии всех указанных
выше факторов приходится прибегать к итерационному алгоритму расчета.
Решение упомянутой «задачи освещения» основано на данных о координатах
центров и вершин треугольников, образующих геометрическую модель КА, в сово-
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
287
купности с данными о направлениях вектора скорости КА, потока авроральных
электронов и потока солнечного излучения, задаваемых в системе координат КА.
Алгоритм решения этой задачи основан на стандартных методах машинной гра-
фики [38].
На рис. 1.9.3 приведено геометрическое построение, в котором треугольник А
оказывается экранированным (затененным) треугольником В от фактора, направле-
ние на который показано стрелкой, а треугольник В' экранирующего действия не
оказывает. Отметим, что при анализе динамики заряжения КА описанное построение
производится в ходе расчета однократ-
но, если КА не меняет своей ориентации
по отношению к направлениям воздей-
ствия авроральных электронов и осве-
щения, и на каждом шаге итерационной
процедуры, если ориентация изменяется
(например, в случае вращения КА).
При расчете тока таранных ионов на
поверхность КА было использовано
приближение, позволяющее в случае
высокого потенциала объекта ввести
эффективную поверхность сбора ионов.
Предполагается, что каждый положи-
тельный ион, попавший на такую по-
Рис. 1.9.3. Геометрическое построение,
применяемое при решении «задачи освещения»
верхность, резко изменяет траекторию своего движения и практически по прямой
движется к поверхности объекта. Размер такой области, окружающей заряженный
объект в плазме, в случае высокого потенциала может существенно превышать длину
дебаевского экранирования [39].
При построении эффективной поверхности сбора ионов вокруг реальной поверх-
ности сложного тела производится перенос вершин треугольников, составляющих
геометрическую модель данной поверхности. Расчет координат вершин треугольни-
ков, образующих поверхность сбора, производится для заданного распределения по-
тенциала на поверхности КА. Соответственно «задача освещения» в отношении по-
тока таранных ионов решается каждый раз в ходе итерационного алгоритма после
построения поверхности сбора. Положение вершины треугольника, составляющего
элемент поверхности сбора, определяется из условия <ptr = kTe / е, где <ptr - потенциал
электрического поля в точке вершины, Те- температура электронной компоненты
ионосферной плазмы.
Тестовые расчеты показали, что при реальных значениях параметров плазмы и
плотности тока авроральных электронов описанный выше итерационный алгоритм
сходится за 5-10 итераций. Критерием сходимости является выполнение следующего
соотношения:
1 N
-Е
ф*~‘-ф-
ф*-'
<0,01,
(1.9.32)
где N - общее количество треугольников, образующих геометрическую модель КА;
ср- - величина потенциала /-го треугольника на &-ой итерации.
288
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таким образом, каждый из треугольников, образующих поверхность захвата ио-
нов, отличается, вообще говоря, по площади и направлению нормали от соответст-
вующего «исходного» треугольника на поверхности геометрической модели КА. Но
поскольку связь треугольников однозначна, то при использованном расчетном алго-
ритме обеспечивается связь между величинами токов на поверхности захвата и на
поверхности геометрической модели КА.
1.9.2. Алгоритмы и программные средства для моделирования электризации
реальных КА
Физико-математическая модель и программный комплекс COULOMB для описа-
ния процессов электризации КА на геостационарной и высокоэллиптических орбитах
были разработаны в НИИЯФ МГУ во второй половине 1980-х гг. [2] и базировались
на больших вычислительных машинах третьего поколения. Значительный прогресс в
увеличении производительности вычислительной техники, развитие интерактивных
возможностей персональных компьютеров (ПК) позволили выйти на качественно
новый уровень физико-математического и программного обеспечения компьютерно-
го моделирования электризации на высоких и низких орбитах полета КА [15].
1.9.2.1. Структура и блок-схема вычислительного комплекса
Блок-схема программного вычислительного комплекса для анализа электризации
КА, построенного на основе изложенных выше методов расчетов и алгоритмов на
базе Интернет-технологий и функционирующего на ПК с операционной системой
Linux, показана на рис. 1.9.4. Эта схема является общей для случаев электризации
высокоорбитальных и низкоорбитальных КА. При ее конкретной реализации учиты-
ваются отмеченные выше особенности электризации КА в этих двух случаях.
Исходные данные для проведения расчетов формируются в интерактивном режи-
ме с помощью пользовательского графического интерфейса. Входная информация,
обрабатываемая соответствующими блоками-подпрограммами, включает в себя опи-
сание геометрической расчетной модели КА, схема построения которой рассмотрена
ниже, задание электрофизических характеристик и свойств конструкционных мате-
риалов, используемых в данном расчете, из базы данных материалов покрытий КА,
геофизических условий в блоках задания параметров космической плазмы
(см. гл. 1.8). При построении расчетной геометрической модели производится дис-
кретизация поверхности КА, т. е. разбиение ее на отдельные простые элементарные
фигуры - параметрические треугольники. Для проведения расчетов значений потен-
циалов и электрических полей, а также траекторий движения частиц в окрестности
КА по заданным размерам и числу разбиений расчетной области пространства
проводится дискретизация пространства равномерной трехмерной декартовой сет-
кой. При этом также определяются ячейки этой сетки, занятые элементами поверх-
ности КА.
Затем, используя полученные при дискретизации поверхности КА и пространства
данные и описанную выше методику расчета траекторий заряженных частиц в част-
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
289
Рис. 1.9.4. Структурная схема решения задачи электризации КА
ном случае нулевого потенциала или нейтральных частиц, проводится расчет гео-
метрических углов видения элементов поверхности КА и их условий освещения
Солнцем (освещен ли данный элемент, и под каким углом к нормали, или он не ос-
вещен, в том числе затенен другими элементами).
Для каждого элемента поверхности, исходя из характеристик космической плаз-
мы и эмиссионных свойств материалов поверхностности, с привлечением данных об
условиях освещенности Солнцем и геометрических углах видения элементов вычис-
ляются углы сбора частиц.
Для расчетной модели по формулам (1.9.3) вычисляются матрицы кулоновс-
кого взаимодействия (монопольный и дипольный члены) для элементов поверх-
ности.
В силу сложной зависимости плотности тока от потенциала решение системы
уравнений может быть получено только путем численного интегрирования.
290
ФИЗИЧЕСКИЕПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
На каждом шаге интегрирования проводятся следующие вычисления:
• по найденным ранее потенциалам базовых элементарных поверхностей (началь-
ным и на предыдущем шаге интегрирования) рассчитывается напряженность
электрического поля на элементах поверхности КА;
• исходя из величин потенциалов и напряженностей поля, рассчитываются
локальные первичные токи для заданных базовых элементарных поверх-
ностей;
• на основании найденных величин локальных первичных токов и задаваемых
данных о вторично-эмиссионных свойствах материалов поверхности вычисля-
ются локальные вторичные токи и ток фотоэлектронной эмиссии с учетом по-
давления выхода вторичных электронов внешним электрическим полем;
• рассчитываются токи связи между базовыми элементарными поверхностя-
ми, их фрагментами и включенными в геометрическую модель элементами
конструкции на основании заданных параметров электропроводности мате-
риалов.
Таким образом, реализуется итерационный цикл решения указанной системы
уравнений до наступления состояния баланса токов на каждом элементе поверх-
ности, что позволяет получить равновесное распределение потенциала по поверх-
ности КА.
1.9.2.2. Геометрическая модель КА
Геометрическая модель КА, используемая при проведении расчетов, строится с
учетом специфики рассматриваемых процессов взаимодействия. При анализе элек-
тризации КА необходимо описать конфигурацию его внешней поверхности и указать
места расположения на ней материалов с различными электрофизическими свойст-
вами. Геометрическая модель реального КА формируется обычно в виде совокупно-
сти некоторого числа базовых элементов, объединенных в иерархическую древовид-
ную структуру. В качестве таких элементов используются простые геометрические
поверхности и их фрагменты: сфера, цилиндр, плоскость и т. д.
Базовая трехмерная поверхность F(x,y,z) = 0 в локальной системе координат опи-
сывается в параметрическом виде через двумерную систему параметрических коор-
динат (/, у): х = x(t, v), у - y(t, у), z = z(t, у). С помощью операций трансляции и враще-
ния локальной системы координат элементы группируются в блоки и размещаются в
глобальной системе координат. Для выполнения численных расчетов проводится
упоминавшаяся выше дискретизация поверхности КА, т. е. разбиение ее на множе-
ство элементарных фигур - треугольников, образующих сеточное представление
исходной модели КА. Степень дискретизации определяет размерность получаемых
систем уравнений и, соответственно, - точность расчета электрофизических характе-
ристик, описывающих процесса электризации КА. Общее число элементарных тре-
угольников может варьироваться в широких пределах в соответствии с особенностя-
ми конструкции конкретного КА и характером поставленной вычислительной задачи
и ограничивается, в основном, вычислительными возможностями используемых
ЭВМ - объемом оперативной памяти и скоростью вычислений. В настоящее время
для моделей реальных КА оно может достигать нескольких тысяч.
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
291
Для каждой поверхности задаются также наименования материалов покрытий и
ее тип (односторонняя или двухсторонняя, диэлектрик или металл), а из базы дан-
ных конструкционных материалов КА извлекаются их электрофизические характе-
ристики.
С программой построения моделей КА тесно связана система трехмерного
компьютерного отображения моделей КА и графического представления результа-
тов расчетов величин, характеризующих электризацию КА (распределения потен-
циала, заряда, напряженности поля и т. п.).
1.9.2.З. Графический интерфейс
При решении задач, связанных с анализом электризации КА и воздействия на КА
ряда других факторов космического пространства, используется разработанный в
НИИЯФ МГУ универсальный графический интерфейс [40].
Графический интерфейс пользователя, блок-схема которого изображена на
рис. 1.9.5, обеспечивает интерактивное построение и изменение геометрической
модели, задание параметров деталей конструкции и расчетного пространства, вы-
вод результатов расчетов.
Центральными модулями программного комплекса и интерфейса пользователя
являются редактор XML и интерактивный модуль отображения данных, обеспечи-
вающие изменение геометрической модели объекта и отображение результатов
моделирования и расчетов в режиме реального времени.
Рис. 1.9.5. Блок-схема пользовательского интерфейса и взаимодействия модулей программ
292 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Редактор XML обрабатывает иерархический список, элементами которого яв-
ляются узлы (детали) объекта с полным описанием геометрических и физических
свойств. Древовидное представление списка позволяет быстро ориентироваться в
конструкции объекта и оперировать группами узлов как единым целым.
Интерактивный модуль отображения данных обеспечивает визуализацию моде-
лируемого трехмерного объекта средствами OpenGL.
В интерактивном режиме имеется возможность перемещать отдельные узлы, а
обратная связь с редактором XML позволяет выбирать отдельные элементы списка и
показывать параметры треугольника дискретизированной модели в интересующей
точке изображения.
Модуль обеспечивает также графическое представление результатов расчетов и
отображение расчетного пространства. Результаты расчетов выводятся в виде изо-
линий с возможностью заливки пространства между ними по цветовой шкале, со-
ответствующей значениям физических величин в точках расчетного пространства.
Траектории частиц представляются в виде линий в трехмерном пространстве. Мо-
дуль позволяет интерактивно задавать плоскость сечения объекта в трехмерном
пространстве для выбора наиболее наглядных картин распределения физических
величин.
Модуль задания условий окружающей среды обеспечивает математическую мо-
дель параметрами среды в различных точках космического пространства в разные
моменты времени, формируя сценарий вычислений. Сценарий расчетов поступает в
блок управления задачами вместе с геометрической моделью и данными расчетного
пространства.
Модуль задания расчетного пространства служит для указания границ физическо-
го пространства вокруг объекта для задач электризации и расчета траекторий частиц.
Расчетное пространство формируется путем генерирования регулярной двумерной
или трехмерной сетки точек для построения изолиний или изоповерхностей, а также
ручным заданием отдельных точек в местах наибольшего интереса в пространстве
вокруг или внутри объекта.
Блок управления задачами служит для запуска программ, выполняющих требуе-
мый тип расчетов, контроля процесса их выполнения и вывода результатов расчета
посредством модулей вывода результатов и отображения данных.
Модуль вывода результатов обеспечивает сохранение построенной математиче-
ской модели в формате XML, вывода графической информации на печать или в файл
в популярных графических форматах.
Модули графического интерфейса реализованы на базе библиотеки Gtk+, которая
обеспечивает удобство взаимодействия и построение интерактивной среды. Для
обеспечения взаимосвязи подпрограмм модуля с OpenGL используется пакет VTK,
представляющий собой высокоуровневую объектно-ориентированную библиотеку
визуализации научных данных.
Графический интерфейс и пакет программ для решения описанного выше круга
физических задач предназначен для использования в графической среде операци-
онной системы Linux, обеспечивающей высокую надежность и стабильность рабо-
ты, сочетающуюся с возможностью создания многозадачных приложений и эффек-
тивным выводом графической информации средствами OpenGL.
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
293
Рис. 1.9.6. Графический интерфейс
На рис. 1.9.6 представлено изображение на экране компьютера разработанного
графического интерфейса. В отдельном окне демонстрируется трехмерная геометри-
ческая модель реального КА, создаваемая для расчета электризации, и некоторые
меню интерфейса.
Примеры, иллюстрирующие возможности программы построения геометрических
моделей КА, показаны на рис. 1.9.7.
Рис. 1.9.7. Примеры геометрических моделей КА
294 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.9.3. Примеры моделирования электризации КА
1.9.3Л. Распределения потенциала на поверхности и в окрестности КА
В результате математического моделирования электризации КА определяются
значения потенциала на каждом элементе поверхности аппарата и в каждой ячейке
трехмерной пространственной сетки, с помощью которой производится дискретиза-
ция прилегающего пространства. Для визуализации картин распределения потенциа-
ла на поверхности КА удобно использовать цветовой код. Эта методика используется
при моделировании электризации как высокоорбитальных, так и низкоорбиталь-
ных КА.
В отличие от случая заряжения в горячей плазме, в холодной ионосферной плаз-
ме электрическое поле достаточно резко спадает с удалением от поверхности заря-
женного объекта вследствие дебаевского экранирования. Поэтому в данном случае
методика цветового кода является основной при представлении результатов рас-
четов.
На рис. 1.9.8 показаны распределения потенциала на поверхности низкоорбиталь-
ного КА, полученные для случаев одновременного воздействия на него ионосферной
плазмы, потока авроральных электронов и солнечного излучении при разных зна-
чениях параметров и направлениях воздействия этих факторов. Каждому значению
потенциала на поверхности объекта ставится в соответствие определенный оттенок
серого цвета.
Рис. 1.9.8. Распределения потенциала на поверхности КА при одновременном воздействии
ионосферной плазмы, потока авроральных электронов и солнечного света
Элементы конструкции КА, подвергающиеся непосредственному воздействию
потока таранных ионов или освещенные, заряжены незначительно, что соответствует
более темным участкам. Напротив, элементы конструкции, на которые непосредст-
венно воздействует поток авроральных электронов (например, в верхней части край-
него рисунка справа), заряжаются до достаточно высоких потенциалов, что показано
более светлыми оттенками.
При электризации КА в горячей магнитосферной плазме, например, на ГСО,
электрическое поле заряженного КА проникает в плазму на значительное расстоя-
ние. Для этого случая возможно построение трехмерных картин распределения по-
тенциала в окрестности КА. Обычно для визуализации структуры электрического
поля используются двумерные сечения трехмерной картины произвольными плос-
костями. На рис. 1.9.9 показана конфигурация эквипотенциалей электрического
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
295
Рис. 1.9.9. Распределение потенциала ср, [кВ], электрического поля в окрестности КА:
а - в тени Земли; б - при освещении поверхности КА Солнцем
поля вблизи КА при дифференциальном заряжении КА на ГСО в тени Земли и на
освещенном участке орбиты. В данном случае выбрана секущая плоскость, прохо-
дящая через продольную ось аппарата. Видно, что при частичном освещении по-
верхности КА электрическое поле становится
асимметричным.
При необходимости детализации структуры
электрического поля вблизи поверхности КА
могут быть применены укрупненные расчет-
ные геометрические модели. Это позволяет
проанализировать особенности распределения
потенциала вблизи различных острых элемен-
тов конструкции и тем самым более точно ука-
зать возможные места возникновения электри-
ческих разрядов. Пример результатов такого
расчета приведен на рис. 1.9.10. Здесь левый
элемент конструкции КА пересекается плос-
Рис. 1.9.10. Детальная картина
электрического поля в окрестности
малых элементов конструкции КА
костью сечения, в котором построена карта
распределения потенциала, а правый находит-
ся позади этой плоскости.
1.9.3.2. Динамика заряжения КА
Разработанная динамическая модель применяется для анализа процессов электри-
зации КА на ГСО и апогейных участках высокоэллиптических орбит при различных
нестационарных условиях, определяемых при варьировании параметров магнито-
сферной плазмы, условий освещения КА Солнцем, при изменении ориентации КА
и т. п. Она позволяет находить зависимости потенциала отдельных элементов по-
верхности тела от времени и определять характерные времена достижения стацио-
нарных значений.
296 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.9.11. Изменение во времени
потенциалов неосвещенной стороны
панели СБ (1), корпуса (2) и
освещенной стороны панели (3)
На рис. 1.9.11 показаны зависимости от
времени потенциалов элементов на осве-
щенной и неосвещенной сторонах панели
солнечной батареи, а также металлическо-
го корпуса КА. Предполагается, что момент
времени t = 0 соответствует началу воздей-
ствия плазмы на КА. Видно, что как аб-
солютная величина потенциала КА, так и
разности потенциалов между отдельными
элементами конструкции КА монотонно
возрастают во времени, достигая макси-
мальных стационарных значений за время
~104 с.
Нестационарный характер распреде-
ления потенциала на поверхности КА мо-
жет определяться, как отмечено выше, не
только изменением параметров космиче-
ской среды, но и изменением ориентации КА по отношению к направлениям воздей-
ствующих на его поверхность факторов, например, вращением освещенного Солнцем
КА. На рис. 1.9.12 показаны зависимости от времени потенциалов двух элементов,
расположенных на противоположных боковых поверхностях цилиндрического кор-
пуса КА, вращающегося с периодом 24 часа вокруг продольной оси. Направление
освещения перпендикулярно этой оси. При выбранных в данном расчетном примере
значениях токов на поверхности КА такое вращение является медленным, т. е. время
установления локального баланса токов существенно меньше периода вращения. Из
рисунка видно, что потенциалы элементов, расположенных на противоположных
боковых поверхностях корпуса, изменяются в противофазе с указанным периодом.
Рис. 1.9.12. Потенциалы диаметрально
противоположных элементов (1, 2) и
металлического корпуса (3)
цилиндрического КА в зависимости
от времени заряжения
Кроме того, на кривых наблюдаются ло-
кальные пики, соответствующие быстрым
колебаниям потенциала. Последний эф-
фект связан с тем, что в данном случае мо-
дель цилиндрического корпуса построена в
виде многогранника, и возникновение ло-
кальных пиков объясняется резким измене-
нием освещенности отдельных граней.
Наибольшие расчетные трудности вы-
зывает случай достаточно быстрого вра-
щения, когда время установления локаль-
ного баланса токов сравнимо с периодом
вращения. На рис. 1.9.13 показан пример
динамики заряжения вращающегося с пе-
риодом 60 с того же цилиндрического те-
ла, смоделированного с помощью много-
гранника. Наблюдаемые на рисунке срав-
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
297
Рис. 1.9.13. Зависимость от времени потенциала элементов
поверхности при быстром вращении КА
нительно плавные изменения потенциала соответствуют периоду вращения, но и в
данном случае отчетливо видны быстрые колебания, обусловленные изменением
освещенности граней. Этот пример показывает, что разработанная методика моде-
лирования динамики заряжения позволяет отслеживать колебания потенциала эле-
ментов поверхности в широком интервале времен.
1.9.З.З. Особенности электризации КА при функционировании ЭРД
Наличие на борту КА периодически работающих ЭРД усложняет общую физиче-
скую картину заряжения КА в окружающей космической плазме, поскольку испус-
каемые двигателями плазменные струи участвуют в балансе совокупного тока, про-
текающего через поверхность КА при его взаимодействии с плазмой, и в балансе то-
ков на отдельных участках поверхности.
В соответствии с этим при математическом моделировании заряжения КА в ус-
ловиях работы ЭРД в расчетную модель КА, учитывающую особенности его кон-
фигурации и свойства конструкционных материалов, включаются также двигатели,
для которых задаются места расположения, диаграммы направленности струи, дан-
ные о концентрации частиц в струе и другие необходимые параметры. Процедура
расчета распределения потенциала по поверхности и в окрестности КА включает в
себя анализ движения положительных ионов и электронов, испускаемых плазмен-
ными двигателями, в собственном электрическом поле КА. Появление дополни-
тельных токов, обусловленных работой плазменных двигателей, изменяет общий
потенциал КА относительно окружающей плазмы, который определяется совокуп-
ностью находящихся на КА зарядов, а также распределение потенциала по поверх-
ности КА.
Следует отметить, что изменение общего потенциала КА и потенциального рель-
ефа на его поверхности обусловлено двумя физическими механизмами: изменением
соотношения положительных ионов и электронов в плазменной струе двигателя и
298
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.9.14. Структура электрического поля в окрестности КА:
а - до включения ЭРД; б - после включения
возвратом части положительных ионов на поверхность КА, имеющего отрицатель-
ный потенциал. Первый из этих механизмов приводит к быстрому изменению сред-
него потенциала при включении и выключении плазменных двигателей, а второй
механизм - к медленному изменению общего потенциала и потенциалов отдельных
участков непроводящей поверхности КА.
На рис. 1.9.14а показаны результаты расчета структуры электрического поля в ок-
рестности КА до включения ЭРД при заряжении аппарата под действием плазмы с
температурой 3,55 кэВ. Цифрами на эквипотенциалях указано значение потенциала в
киловольтах. Структура эквипотенциал ей определяется не только особенностями
конфигурации КА, но и спецификой его дифференциального заряжения, т. е. потен-
циальным рельефом на поверхности.
В общем случае процесс быстрой перезарядки КА при включении ЭРД приводит,
как уже указывалось, к быстрому снижению среднего потенциала КА. В предельном
случае средний потенциал снижается до нулевого значения. При этом дифференци-
альное заряжение КА может сохраняться. Степень отличия дифференциального за-
ряжения КА до и после включения ЭРД сильно зависит от характера потенциального
рельефа на поверхности КА и величин потенциалов на отдельных ее участках в мо-
мент, предшествующий включению ЭРД, и от интенсивности плазменных токов,
обусловленных собиранием на поверхность ионов из области сопла ЭРД,
На рис. 1.9.146 показана структура электрического поля в окрестности КА после
включения ЭРД, которое приводит к снижению среднего потенциала КА до нулевого
значения. Из сопоставления рис. 1.9.14а и рис. 1.9.146 видно, что в рассматриваемом
случае включение ЭРД привело к сильному изменению характера дифференциально-
го заряжения КА.
Как указывалось выше, для анализа влияния работы плазменных двигателей на
процессы заряжения КА необходимо включить в баланс токов на поверхности со-
ставляющие, связанные с собиранием поверхностью заряженных частиц из области
сопла двигателя. Вычисление этих дополнительных токов производится на основа-
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
299
нии результатов моделирования траекторий движения ионов и электронов в собст-
венном электрическом поле заряженного КА. При моделировании используется та же
пространственная сетка, на которой рассчитывается распределение электрического
потенциала в окрестности КА. Дополнительные локальные токи для отдельных уча-
стков поверхности определяются путем суммирования траекторий заряженных час-
тиц, попадающих на рассматриваемые участки.
Резкое снижение среднего потенциала КА при включении плазменного двигателя
приводит, как было показано выше, к сильному изменению характера дифференци-
ального заряжения КА. Соответственно существенное изменение претерпевают тра-
ектории положительных ионов, движущихся из области сопла плазменных двигате-
лей. Это изменение иллюстрируется рис. 1.9.15а и рис. 1.9.156, на первом из которых
показаны траектории ионов, уходящих из области сопла одного из ЭРД, в электриче-
ском поле дифференциально заряженного КА до включения ЭРД, а на втором - тра-
ектории ионов в поле КА после включения ЭРД. В обоих случаях энергия ионов рав-
на 0,1-1,0 кэВ (значения энергии указаны цифрами у соответствующих кривых).
Рис. 1.9.15. Траектории положительных ионов в электрическом поле
дифференциально заряженного КА: а - до момента включения ЭРД,
б - после включения
Из сопоставления рис. 1.9.15а и рис. 1.9.156 видно, что после включения ЭРД тра-
ектории существенно меняются: значительная часть ионов уходит из окрестности
КА, что соответствует физическим представлениям о снижении среднего потенциала
КА до нулевого значения.
Аналогичные результаты получены в НИИПМЭ МАИ [16] с помощью расчетной
модели, основные положения которой описаны ниже в разд. 1.9.4.4.
Для получения предварительных количественных оценок процессов зарядки были
проведены тестовые расчеты применительно к модели геостационарного КА с ЭРД
для случая суббури. При моделировании были использованы типовые геометриче-
ские фигуры формата и геометрическая сетка модели NASCAP.
300
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.9.16. Динамика изменения потенциалов отдельных ячеек КА
в зависимости от времени заряжения
В процессе моделирования исследовалась зарядка модели КА на отрезке реаль-
ного времени 0-1 000 секунд с включенным и выключенным ЭРД (время работы
750-800 с). В качестве контрольных ячеек на поверхности модели КА были выбраны
следующие: № 1 - освещенная ячейка в центре верхней плоскости КА; № 2, № 3 -
освещенные ячейки в центрах солнечных панелей; № 4 - освещенная ячейка в центре
тыловой поверхности рефлекторной антенны; № 5 - затененная ячейка в центре ме-
таллизированного дна; № 6 - ячейка на диэлектрической боковой грани, противопо-
ложной грани с рефлектором облучателя; № 7 - затененная ячейка в центре антенно-
го рефлектора; № 8, № 9 - затененные ячейки в центрах солнечных панелей.
На рис. 1.9.16 представлена динамика изменения потенциалов на выбранных
ячейках в зависимости от времени.
На рис. 1.9.17 с помощью цветового кода изображены распределения потен-
циалов в окружающем пространстве для двух главных ортогональных сечений
КА в фиксированный момент времени
(772 с).
Из результатов моделирования на-
глядно видно, что работа ЭРД приводит
к существенному снижению отрицатель-
ных потенциалов на поверхности КА.
Ряд ячеек (№ 1, № 4) на время работы
двигателя получают близкий к нулю
потенциал, а потенциал остальных ди-
электрических поверхностей падает бо-
лее чем 500 В. Это позволяет рассматри-
вать ЭРД не только как двигатель, но и
как устройство электростатической кор-
рекции зарядового состояния КА.
Рис. 1.9.17. Распределение потенциала в
окрестности КА при функционировании ЭРД
ГЛАВА 1 9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИКА
301
а б
Рис. 1.9.18. Траектории положительных ионов (а) и электронов (б),
выходящих из области сопла ЭРД
На рис. 1.9.18 приведены результаты траекторных расчетов для положительных
ионов и электронов, полученные для той же модели КА. При проведении этих расче-
тов плазменная струя, выходящая из сопла ЭРД, предполагалась плотной, что пре-
пятствовало проникновению внешнего электрического поля в плазму. Как видно из
рис. 1.9.18а, на поверхность КА собирались ионы малых энергий, образующиеся вбли-
зи сопла. Траектории этих ионов заканчиваются на разных участках поверхности. На
рис. 1.9.186 показаны траектории электронов, уходящих от поверхности КА
1.9.4. Особенности различных моделей поверхностной электризации КА
1.9.4.1. Модель «ЭКО-М»
Программный комплекс «ЭКО-М» [7-9] для расчета процессов электризации КА.
функционирующих на ГСО, разрабатывался в Красноярском государственном уни-
верситете начиная с 1984 г. Эта модель, основанная на принципах и основных урав-
нениях, которые были изложены выше в разд. 1.9.1, имеет отличия в реализации от
ранее развитой американской модели NASCAP [1].
Для решения электростатической задачи в программе «ЭКО-М» применяется
МИУ, в котором используются значения потенциалов и напряженностей только на
поверхности КА. Для расчетов токов, текущих на поверхность КА, используется ана-
литическое «зондовое» приближение для многокомпонентной максвелловской плаз-
мы. Траектории движения заряженных частиц в окрестности КА в данной модели не
рассматриваются. Это позволяет разделить вычислительные задачи, связанные с
построением геометрической модели КА, решением электростатической задачи и
описанием динамики процесса заряжения КА.
Модель КА строится из стандартного набора фигур (цилиндр, сфера, плоскость
и т. д.), описываемых параметрическими уравнениями. Такое представление позво-
ляет воспроизводить геометрические модели КА сложной конфигурации, включая
объекты с элементами конструкции, имеющие различающиеся характерные разме-
ры, или с движущимися частями, например, медленно вращающимися солнечными
батареями.
Описание материалов покрытий КА включает стандартный для таких расчетов
набор их электрофизических характеристик: объемную и поверхностную проводи-
302
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
мость, плотность тока фотоэлектронной эмиссии, вторично-эмиссионные коэффи-
циенты и др., при этом учитывается влияние температурных и радиационных эф-
фектов.
Алгоритм моделирования динамики процесса заряжения КА во времени основы-
вается на автоматическом выборе длины шага интегрирования, исходя из заданного
уровня точности счета. Обычно величина шага составляет 0,1-1 с, и для достижения
равновесного состояния требуется около 1000 шагов. Алгоритм позволяет проводить
вычисления при изменении внешних условий за время порядка нескольких секунд,
что дает возможность моделировать заряжение КА при изменении параметров плаз-
мы на протяжении магнитной суббури, при прохождении КА через неоднородности
плазмы, при входе и выходе КА из тени Земли, изменении ориентации КА относи-
тельно Солнца и т. п.
1.9.4.2. Модели семейства NASCAP
Совокупность программ и моделей NASCAP, предназначенных для трехмерного
моделирования электризации реальных КА в различных условиях была разработана в
компании S-Cube (затем Maxwell Technologies System Division и в настоящее время
Science Applications International Corporation (SAIC)) в 1975-1991 гг. [1, 11, 12].
Программа NASCAP/GEO [1] является первой программой, предназначенной для
трехмерного моделирования электризации реальных КА на ГСО в разреженной маг-
нитосферной плазме. В данной программе геометрическая модель КА строилась из
совокупности блоков - кубов и пирамид, заданных на фиксированной кубической
сетке 16x16x32. Для описания свойств основных материалов покрытий КА, ис-
пользуемых в космической отрасли США, была создана база данных, включающая
19 характеристик для каждого материала, таких, как диэлектрические свойства,
проводимости, разрядные потенциалы, вторично-эмиссионные характеристики ма-
териалов при воздействии электронов и протонов магнитосферной плазмы, солнеч-
ного света и т. д.
Уравнения электростатики решались при помощи МКЭ. В исходном варианте
программы предусматривался учет пространственного заряда вторичных электронов
путем решения самосогласованного уравнения Пуассона, однако из-за больших вы-
числительных трудностей в реальных расчетах использовалось уравнение Лапласа с
приближенным учетом подавления тока фотоэлектронной эмиссии тормозящим
электрическим полем на освещенных участках поверхности КА.
Для вычисления первичных токов частиц космической плазмы и для учета пере-
распределения тока вторичных частиц по поверхности КА первоначально предпола-
галось использовать метод расчета траекторий движения частиц. Но фактически та-
кой подход в расчетах электризации не использовался - для вычисления первичных
токов применялось «зондовое» приближение, а вклад процессов перелета вторичных
частиц не учитывался.
Динамика процесса заряжения КА в этой программе описывается системой обык-
новенных дифференциальных уравнений для потенциалов на элементах поверхности,
при решении которой использовался неявный метод Эйлера с учетом баланса полно-
го тока КА.
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
303
В середине 1980-х гг. для моделирования процессов заряжения КА на низких око-
лоземных орбитах на базе программы NASCAP/GEO была разработана программа
NASCAP/LEO [10]. Описание геометрической модели КА было значительно услож-
нено по сравнению с программой NASCAP/GEO - введены новые типы элементов
конструкции КА, появилась возможность использования для построения модели КА
конечно-элементных препроцессоров типа PATRAN. Уравнение Пуассона, описы-
вающее распределение потенциала в окрестности КА, решалось с помощью МКЭ.
Для расчета пространственного заряда первичных частиц космической плазмы и вто-
рично-эмиссионных частиц, а также токов, текущих через элементы поверхности,
использовался траекторный метод. Стационарное решение задачи находилось итера-
ционным методом.
Для моделирования электризации КА на низких орбитах с большим наклонением
(полярные орбиты) был создан специальный вариант программы, названный
NASCAP/POLAR [11], в котором наряду с ионосферными электронами и таранными
ионами был учтен вклад авроральных электронов.
В начале 2000 г. в США на базе указанных выше программ были разработаны два
новых программных комплекса: Space Environment and Effects (SEE) Spacecraft
Charging Handbook (Электронная энциклопедия по электризации КА) и NASCAP-2K.
Эти программные комплексы предназначены, прежде всего, для использования на
современных персональных компьютерах в среде Microsoft Windows в соответствии с
новыми тенденциями и стандартами программирования. В настоящее время эти про-
граммные продукты подпадают под экспортные ограничения и не распространяются
за пределами США.
NASCAP-2K
Программный комплекс NASCAP-2K [19,20] является развитием программ
NASCAP GEO, LEO и POLAR. Целью разработки было построение новой программы
электризации реальных КА в различных условиях, включая межпланетное простран-
ство, где КА подвергаются воздействию потока плазмы солнечного ветра. Программа
предназначена для инженеров - разработчиков КА, научных работников и студентов
аэрокосмических специальностей. Программа функционирует на персональных ком-
пьютерах с операционной системой MS Windows. Предполагается перенос програм-
мы на Linux и UNIX-платформы.
NASCAP-2K состоит из интерактивного пользовательского графического интер-
фейса для описания задачи и представления результатов ее решения, новой програм-
мы построения адаптивной пространственной сетки, модуля описания геометрии КА,
вычислительного модуля (с использованием метода граничных элементов) для расче-
тов потенциалов и зарядов на поверхности КА, а также модулей вычисления потен-
циалов на пространственной сетке и траекторий частиц и токов.
Как уже отмечалось выше, описание геометрической модели КА в NASCAP/GEO
было весьма упрощенным. Поэтому для программы NASCAP-2K был разработан
новый модуль для создания геометрической модели КА (ОТК - Object Definition
Toolkit), позволяющих построить точное и подробное математическое представление
КА. Этот модуль написан на универсальном языке программирования Java с трех-
304
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
мерным графическим интерфейсом, что позволяет использовать его на компьютерах
с различными операционными системами - Windows, Linux, MacOS и др.
В NASCAP-2K модель КА строится из элементарных блоков: параллелепипед,
диафрагма, панель, стержень, цилиндр и т. д., объединенных в иерархически связан-
ную структуру. Вся информация об узлах и элементах геометрической модели,
включая описания конструкционных материалов отдельных элементов, запоминается
в базе данных в формате XML.
Модуль описания пространственной сетки использует данные о модели КА, полу-
ченные в геометрическом модуле, и позволяет построить систему вложенных расчет-
ных сеток, обеспечивающих высокое пространственное разрешение вблизи КА.
При моделировании электризации КА в разреженной плазме (на геостационарной
орбите и других подобных условиях) в NASCAP-2K для решения электростатической
задачи применяется метод граничных элементов, впервые использованный в россий-
ских моделях COULOMB и «ЭКО-М». Это позволило значительно увеличить точ-
ность вычисления напряженности электрического поля и токов на поверхности КА и
повысить устойчивость, стабильность и скорость расчетов динамики процесса элект-
ризации КА.
Для вычислений распределений электрического поля в окружающем КА про-
странстве с учетом пространственного заряда в плотной ионосферной плазме, а так-
же расчетов траекторий движения частиц были использованы модернизированные
версии модулей программы DynaPAC [41].
SEE Spacecraft Charging Handbook
Электронная энциклопедия по электризации КА была разработана совместно
Центром Маршалла NASA и Максвелловской лабораторией как интерактивное спра-
вочное издание и программный комплекс для проведения инженерных расчетов
электризации [18].
Поверхностная электризация КА описывается четырьмя подпрограммами: одно-
мерные модели электризации одного материала и нескольких материалов, трехмер-
ные модели электризации на ГСО и в авроральных условиях. Отдельные подпро-
граммы позволяют задавать электрофизические и эмиссионные характеристики ма-
териалов и описывать потоки заряженных частиц на ГСО, в авроральных условиях и
в радиационных поясах Земли.
Трехмерная модель электризации позволяет описывать развитие процесса заря-
жения во времени, включая общее и дифференциальное заряжение с учетом барьер-
ных эффектов для фотоэлектронов и вторично-эмиссионных электронов. Геометри-
ческая модель позволяет интерактивно задавать типы материалов и размеры типичного
КА, включающего корпус, солнечные батареи и антенны. После построения геометри-
ческой модели она отображается в перспективной проекции на экране компьютера.
При описании динамики процесса заряжения пользователь задает общее время за-
ряжения и количество шагов по времени. Величина шага растет в геометрической
прогрессии и не регулируется пользователям программы. Результатом работы про-
граммы являются значения потенциалов на элементах поверхности КА, представлен-
ных в табличной форме или в цветовом коде при графическом представлении.
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
305
Сравнение NASCAPI GEO, SEE Handbook и NASCAP-2K
Для сравнения результатов расчетов по этим программам было проведено моде-
лирование процесса электризации простой модели КА, включающей корпус, СБ и
антенны [20]. Время процесса электризации составляло 1000 с, разбитых на 100 ин-
тервалов, с индивидуальным выбором шагов для каждой программы.
В табл. 1.9.1 приведены результаты расчетов потенциалов различных элемен-
тов и материалов КА в равновесном состоянии (минимальное и максимальные
значения), выполненных с помощью программ NASCAP/GEO, NASCAP-2K и SEE
Handbook [20].
Таблица 1.9.1
Результаты расчета потенциалов, [кВ], с помощью различных моделей
Модель Корпус Каптон Солнечные отражатели СБ Тефлон
NASCAP/GEO -10,0 —(8,2—13,1) -(8,2-10,7) -(5,2-7,7) -(7,5-12,7)
SEE Handbook -8,6 - -(7,3-9,6) -(3,6-5,7) -(6,8-11,3)
NASCAP-2K -12,0 -(11,5-14,4) -(10,0-13,7) -(7,2-10,8) -(7,9-14,0)
Расхождения в расчетах дифференциального заряжения (потенциала диэлектрика
относительно корпуса) для этих программ составляет всего 4%, в то время как точ-
ность расчета общего заряжения значительно хуже - потенциалы корпуса КА отли-
чаются для разных программ более чем на 30%. Это связано как с точностью описа-
ния геометрической модели КА, так и с погрешностью описания развития процесса
электризации во времени. Все эти программы используют различные алгоритмы и
процедуры выбора временного шага, допустимой величины изменения потенциала на
шаге и итерационных методов, обеспечивающих сходимость решения на каждом ша-
ге за счет вариации потенциала корпуса. Фактически в этих программах на каждом
временном шаге используется квазистатическое приближение, не очень точно опи-
сывающее зависимость потенциалов во времени, но дающее большую точность по
мере приближения к равновесному состоянию.
1.9.4.3. Проект «Space Plasma Interaction System»
В начале 2002 г. Европейское космическое агентство выступило с инициативой
развития работ по моделированию взаимодействия КА с космической плазмой. Раз-
работка этого проекта ведется в рамках европейской компьютерной сети по изуче-
нию взаимодействия КА с плазмой SPINE (Spacecraft Plasma Interaction Network in
Europe) [42] в основном французскими научно-исследовательскими центрами и фир-
мами - ONERA, Artenium и университетом Paris 7.
Целью этого проекта, названного Space Plasma Interaction System (SPIS) [24], яв-
ляется разработка модели и программного обеспечения для описания процессов
электризации КА в различных условиях космического пространства - на высоких,
низких и полярных орбитах, в том числе с учетом плазменных искусственных источ-
ников - нейтрализаторов, ЭРД и т. п.
306 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Описание динамики космической плазмы и процессов ее взаимодействия с КА
основывается на решении системы кинетических уравнений Власова методом круп-
ных частиц в ячейках (Particle in Cell) и уравнения Пуассона с помощью МКЭ на
сложных неструктурированных сетках.
Проект базируется на концепции открытого программного обеспечения - так на-
зываемой GPL лицензии, т. е. тексты программных кодов доступны пользователям
для свободного распространения, использования и усовершенствования, оставляя их
открытыми. На тех же основаниях в проекте SPIS используются свободные коды и
программные продукты других разработчиков, например графические интерфейсы,
построители расчетных сеток и т. д. Такой подход позволяет, во-первых, использо-
вать большое число уже разработанных программ, с возможностью их проверки и
доработки под нужды конкретной задачи, а во-вторых, дает возможность привлечь
широкий круг пользователей к тестированию, использованию и расширению разра-
ботанного программного обеспечения.
Необходимость решения большого количества различных задач в рамках одного
компьютерного проекта требует строгого соблюдения модульного принципа по-
строения программы с четким функциональным разделением их частей и интерфей-
сов. Для этого необходимо применять объектно-ориентированные методы и языки
программирования. Основываясь на уже имеющемся опыте разработки и тестирова-
ния прототипа SPIS - программы PickUp 3D [23], в качестве базового был выбран
язык программирования Java.
Блок-схема программы SPIS показана на рис. 1.9.19. Модули графического поль-
зовательского интерфейса (две нижние строки), предназначенные для описания гео-
метрии КА, расчетной сетки в окружающем КА пространстве, физических моделей и
расчетных методов, а также визуализации результатов расчетов, генерируют коман-
ды, передаваемые управляющему центру. Этот центральный программный модуль
содержит соответствующие структуры и базы данных, являющихся входными и вы-
ходными данными для различных исполнительных модулей, таких как генераторы
Модуль построения геометрической модели КА Модули построения расчетных сеток Модули расчета физических процессов Модули решения систем уравнений Модули обработки результатов расчетов
Данные САПР Данные для описания расчетных сеток Данные Данные для визуализации
Управляющий центр
Командный интерпретатор
Графический интерфейс геометрической модели КА Графический интерфейс для построения расчетных сеток Графический интерфейс для описания физических процессов Графический интерфейс для решения уравнений Графический интерфейс визуализации расчетов
Рис. 1.9.19. Блок-схема программы SPIS
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
307
геометрической модели КА, поверхностных и пространственных сетвк, программы
для решения уравнения Пуассона, расчета траекторий движения частиц и объемного
заряда и др.
В настоящее время программа SPIS находится в стадии развития - выбраны ос-
новные программные средства и алгоритмы, создана структурная схема модели, раз-
работаны основные программные модули, проведены тестовые расчеты [43-45].
1.9.4.4. Модель НИИПМЭ МАИ
На основе разработанных математических моделей и алгоритмов [ 16] в НИИПМЭ
МАИ создан программный комплекс, предназначенный для прогнозирования элек-
тростатической зарядки КА в магнитосфере Земли при наличии ЭРД на борту. Про-
граммный комплекс ориентирован для установки на IBM PC с операционной систе-
мой Microsoft Windows. В качестве языков высокого уровня использованы Форт-
ран-90 и Си в графической среде Windows.
В программном комплексе для описания динамики процесса электризации КА
реализован метод больших временных шагов, основанный на интерполяции тока на
затененных участках диэлектриков как наиболее устойчивого параметра. В качестве
критерия устойчивости при сходимости используется достижение баланса суммарно-
го тока, проявляющегося в последовательном чередовании смены знака приращения
базового потенциала в пределах задаваемой величины.
Разработанный алгоритм позволяет на основе известных данных о полном заряде
на проводящей поверхности КА и плотностях распределения зарядов на диэлектри-
ческих покрытиях рассчитать значения поверхностных потенциалов и плотности
распределения заряда на проводящей поверхности КА.
Для описания потока заряженных частиц, образующихся при работе ЭРД, исполь-
зуется упрощенная модель, схематически показанная на рис. 1.9.20.
Рис. 1.9.20. Схема формирования потоков заряженных частиц при работе ЭРД
308
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
В состав плазмы, создаваемой ЭРД, входят высокоскоростные «быстрые» ионы,
нейтральные частицы, «медленные» ионы, обусловленные процессами резонансной
перезарядки «быстрых» ионов с нейтральными атомами рабочего вещества и элек-
троны.
Производительность «быстрых» ионов ЭРД определяется на основе эксперимен-
тальных зондовых измерений плотностей токов и скоростей частиц, а производи-
тельность «медленных» частиц определяется из сечения столкновений, скоростей и
плотности ионов и нейтральных молекул.
Так как дебаевский радиус в струе «быстрых» ионов достаточно мал, расчет их
траекторий проводится без учета влияния внешнего электрического поля. В этом
случае траектории «быстрых» ионов будут представлять прямые линии, уходящие в
бесконечность или заканчивающиеся на участках поверхности спутника.
Траектории движения «медленных» ионов моделируются, начиная с условной
границы конуса разлета «быстрых» ионов, а все возникшие внутри конуса «мед-
ленные» ионы относятся к соответствующему парциальному источнику на границе.
В районах высокой плотности «медленных» ионов их траектории моделируются
прямыми линиями, расходящимися от боковой поверхности конуса. По мере рас-
пространения «медленных» ионов в пространстве их плотность будет уменьшаться,
особенно при приближении к границе «затенения» (области, куда ионы не прони-
кают), и на них уже начинает воздействовать внешнее электрическое поле. Следо-
вательно, с определенного момента времени «медленные» ионы начинают «зате-
кать» в затененные области и притягиваться отрицательно заряженными участками
поверхности.
При этом пошаговый алгоритм расчета траекторий включает в себя следующие
этапы.
• Задание исходных данных. В качестве исходных параметров плазменного по-
тока используют угловые распределения токов и скоростей ионов, характерные
для рассматриваемого ЭРД, полученные, например, экспериментально.
• Для заданной геометрии КА и расположения ЭРД рассчитывается дискретный
массив траекторий «быстрых» ионов с определением поверхностных элементов
КА, на которые могут попасть отдельные траектории.
• Определяются граничные траектории «быстрых» ионов (поверхность конуса),
которые определяют дискретное множество источников «медленных» ионов.
Для задания мощности источников предполагается использовать алгоритм сбо-
ра ионов внутри конуса. Число возникающих ионов в каждой точке конуса оп-
ределяется из сечения столкновений с учетом скоростей и плотности ионов и
нейтральных молекул.
• Моделируются прямолинейные траектории «медленных» ионов и определяют-
ся поверхностные ячейки КА, на которые они попадают, и концентрации ионов
в свободных поверхностных узлах.
• Итеративно моделируются траектории «медленных» ионов уже с учетом
внешнего электрического поля для всех дискретных пространственных уз-
лов с большим дебаевским радиусом или являющихся границей зон «зате-
нения».
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИКА.
309
1.9.4.5. Структурная электрофизическая модель электризации КА
Структурная электрофизическая модель (СЭМ) электризации КА, известная за
рубежом как модель сосредоточенных элементов, первоначально использовалась для
определения потенциалов участков внешней поверхности КА под воздействием по-
токов частиц из космической плазмы [46]. СЭМ, предназначенные для прогноза по-
верхностной зарядки КА, представляли собой электрические цепи, состоящие из ем-
костей, индуктивностей и активных сопротивлений. Кроме того, в состав этих СЭМ
входили источники тока, моделирующие потоки первичных частиц плазмы и вторич-
ных частиц, эмитируемых с поверхности КА. Геометрическая форма КА в этих моде-
лях определяла способ формирования линейной электрической цепи.
В настоящее время СЭМ, разработанная в МИЭМ [4], используется для получе-
ния картины растекания токов по конструкции КА от ЭСР на поверхности. Эта кар-
тина растекания токов служит в дальнейшем исходным материалом для расчета элек-
тромагнитных наводок во фрагментах бортовой кабельной сети (БКС), проложенных
по внешней поверхности КА.
Построение СЭМ КА можно условно разбить на два этапа. Во-первых, необходи-
мо представить характерные элементы конструкции КА в виде модели из сосредото-
ченных элементов. При этом величина номиналов этих элементов рассчитывается как
с учетом электрофизических свойств применяемых материалов, так и с учетом гео-
метрии элементов конструкции КА.
Вторым этапом построения СЭМ КА произвольной конфигурации является со-
ставление эскизных чертежей мозаики внешней поверхности аппарата с указанием
применяемых материалов. При необходимости проводится кусочно-линейная ап-
проксимация реальных поверхностей КА сложной формы. Затем корпус КА с навес-
ными элементами разбивается на характерные геометрические фигуры (цилиндр, тор,
плоскость, конус, стержень и т. п.). Каждый элемент представляется эквивалентной
электрической схемой, номиналы которой рассчитываются с учетом геометрии дан-
ного элемента и его материала. Далее характерные элементы конструкции КА и, со-
ответственно, их эквивалентные схемы объединяются в одну общую схему.
После того как места возникновения и основные параметры ЭСР определены рас-
четами по моделям поверхностной зарядки (например, COULOMB [4] - НИИЯФ
МГУ), можно рассчитать картину растекания переходных токов по корпусу и на-
весным элементам КА. ЭСР при этом представляется импульсным источником тока
с заранее заданными характеристиками, соответствующими параметрам разряда.
Данные источники подключаются к точкам, между которыми возможно возникно-
вение ЭСР.
Для реализации предложенной методики в МИЭМ разработана компьютерная
диалоговая система, позволяющая в интерактивном режиме создать СЭМ КА и
провести необходимое моделирование для расчета растекания токов по поверхно-
сти КА под действием любых видов ЭСР, включая выброс заряда в плазму. Диало-
говая система реализована для IBM PC, работающих под операционными средами
Windows 98/2000/ХР.
Как показали теоретические расчеты и проведенные экспериментальные исследо-
вания, имеется прямо пропорциональная зависимость между величиной наводки во
310
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
фрагменте БКС, длиной этого фрагмента и уровнем тока, протекающего по участку
внешней поверхности КА, на котором расположен этот фрагмент.
Отличительной особенностью разработанной СЭМ является наличие в ее про-
граммном обеспечении блока расчета электромагнитных наводок во фрагментах
БКС. Для расчета величины помехового сигнала во фрагменте БКС необходимо ука-
зать трассу прокладки этого фрагмента по внешней поверхности КА и ответить на
запрос диалоговой системы СЭМ о величине коэффициента трансформации тока,
протекающего по поверхности КА, в напряжение наводки в БКС. Этот коэффициент
определяется экспериментально для данного фрагмента БКС с помощью разработан-
ного в МИЭМ испытательного генератора помех ИГП-2 «Дуга».
Изложенный подход позволяет на этапе проектирования КА сформулировать
технические условия на устойчивость электронных блоков, имеющих выход на
внешнюю поверхность КА посредством БКС, к импульсным помехам на входах
этих блоков.
Рассмотрим основные этапы анализа картины растекания токов по поверхнос-
ти КА.
Построение геометрической модели КА начинается с выбора базовых элементов,
аппроксимирующих элементы конструкции корабля. Так, например, корпус КА,
имеющий форму куба, представляется в виде прямоугольной призмы, у которой все
стороны равны. Панель солнечной батареи представляется также в виде прямоуголь-
ной призмы, у которой есть только две размерности - длина и ширина. Аналогично
любой стержень можно представить в виде прямоугольной призмы, у которой только
одна размерность - длина.
При установке базовых примитивов в дизайнерском пространстве тут же в диало-
говом окне можно задавать размеры примитивов, а также степень их дискретизации.
В диалоговом окне можно задать и электрофизические свойства материала, из кото-
рого сделан тот или иной элемент конструкции КА. Для этого существует специаль-
ная база данных материалов.
Отдельно следует остановиться на элементах конструкции, имеющих сфериче-
скую форму: антеннах, обтекателях и др. Как показали предварительные результаты
моделирования, если для аппроксимации сферы или полусферы использовать модель
глобуса (т. е. поверхность сферы поделена меридианами и параллелями), то картина
растекания токов по такой поверхности будет сильно искажаться из-за наличия по-
люсов. В связи с этим предлагается использовать геометрическое тело, имеющее на-
звание геодезический купол. В этом случае поверхность, аппроксимирующая сферу
или полусферу, состоит только из треугольников и является однородной, что и по-
зволяет получить реальную картину растекания токов. Степень разбиения этой по-
верхности на треугольники можно также изменять с помощью диалогового окна. При
разработке способа создания геометрической модели КА были исследованы про-
граммные средства, предназначенные для создания объектов в трехмерном простран-
стве. Анализ этих пакетов показал, что наиболее удобное средство - это пакет
3D Studio МАХ, так как в нем есть возможность сохранения графики в формате DXF,
который является текстовым и удобен для считывания созданным программным
комплексом.
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
311
После выбора базовых геометрических примитивов, установки степени дискрети-
зации поверхности и задания их электрофизических свойств производится стыковка
базовых элементов, являющаяся одним из наиболее важных этапов.
Конструкция КА представляется в виде единой геометрической трехмерной
сетки для дальнейшего преобразования в эквивалентную электрическую схему
(рис. 1.9.21). Таким образом, задача стыковки сводится к булевым объединениям
геометрических поверхностей базовых примитивов и созданию единой трехмерной
полигональной сетки, описывающей геометрическую форму КА и электрофизиче-
ские свойства элементов его конструкции. Полигональные сетки являются набором
полигонов, или граней, которые в совокупности формируют поверхность любого
объекта. В итоге получается список граней или элементарных поверхностей с задан-
ными размерами, пространственными координатами и электрофизическими свой-
ствами материалов КА. Эта сетка является связанной, т. е. между любыми двумя
вершинами существует непрерывный путь вдоль ребер полигона, т. е. при преобра-
зовании единой сетки в эквивалентную электрическую схему нигде не будет разры-
вов цепи.
Рис 1.9.21. Результаты расчета наводок в кабеле
Преобразование полигональной трехмерной сетки, описывающей поверхность КА
в эквивалентную электрическую схему, происходит при помощи программного
модуля, разработанного на базе пакета САПР AutoCAD. Запускается специальная
процедура, которая создает модель сосредоточенных элементов. Эта процедура, по-
следовательно перебирая грани в файле полигональной сетки, создает эквивалентную
электрическую схему, представленную в виде списка элементов R, L, С, записывае-
мого в файл для последующего анализа переходных токов.
После получения файла эквивалентной электрической схемы производится ус-
тановка источника тока, имитирующего ЭСР, и запускается процесс расчета пе-
реходных токов. Далее необходимо выполнить визуализацию результатов расчета в
виде картины растекания токов по поверхности КА. Для этого запускается специ-
альная процедура, которая просматривает файл полигональной сетки, описываю-
312
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
щей КА, и файл результатов расчетов переходных токов в эквивалентной элект-
рической схеме. Для каждой грани вычисляется результирующая нормированная
величина тока, после чего грани присваивается цвет, соответствующий шкале рас-
пределения токов.
Таким образом, мы получаем список граней поверхности КА, где каждой гра-
ни присвоен цвет, соответствующий номиналу текущего в ней тока. Далее визуали-
зируется трехмерная модель КА с картиной растекания токов по поверхности
(рис. 1.9.21).
В результате обеспечивается возможность определения уровней наводок в эле-
ментах БКС, проложенной по поверхности КА, и выработки рекомендаций по защите
БКС от наводок. Для этого необходимо в диалоговом окне ввести коэффициент
трансформации, определяемый экспериментально для конкретных типов кабелей по
методике, разработанной в МИЭМ. Итог расчета наводки в кабеле также представлен
на рис 1.9.21.
Результаты расчетов помеховых сигналов во фрагментах БКС можно использо-
вать как исходные данные для проектирования, изготовления и испытаний блоков
бортовой радиоэлектронной аппаратуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Katz I., Parks D.E., Mandell M.J., Harvey J.M., Wang S.S., Roche J.C. NASCAP - A Three-dimensional charg-
ing analyzer program for complex spacecraft. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1977, v. NS-24, No 6,
p. 2276.
2. Милеев B.H., Новиков Л.С. Физико-математическая модель электризации ИСЗ на геостационарной и
высокоэллиптических орбитах. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, вып. 86.
М.: Наука, 1989, с. 64-98.
3. Krupnikov К.К., Mileev V.N., Novikov L.S., Babkin G.V. Mathematical modeling of high altitude spacecraft
charging. Proceedings of International Conference on Problems of Space/Environment Interactions. Novosi-
birsk, 1992, pp. 167-175.
4. Новиков Л.С., Бабкин Г.В., Морозов Е.П., Колосов С.А., Крупников К.К., Милеев В.Н., Саенко В.С.
Комплексная методология определения параметров электростатической зарядки, электрических полей
и пробоев на космических аппаратах в условиях их радиационной электризации. М.: Изд-во ЦНИИ-
маш, 1995, 160 с.
5. Krupnikov К.К., Mileev V.N., Novikov L.S. A mathematical model of spacecraft charging (’COULOMB’
Tool). Rad. Measur., 1996, v. 26, No 3, pp. 513-516.
6. Krupnikov K.K., Makletsov A.A., Mileev V.N., Novikov L.S., Sinolits V.V. Computer simulation of space-
craft/environment interaction. Radiation Measurements, 1999, v. 30, pp. 653-659.
7. Vasiliev Yu.V., Danilov V.V., Dvoryashin V.M., Kramarenko A.M., Sokolov V.S. Computer modeling of
spacecraft charging using ECO-M. Proceedings of International Conference on Problems of Space/Enviro-
ment Interactions, Novosibirsk, 1992, pp. 187-202.
8. Vasiliev Yu.V., Danilov V.V., Dvoryashin V.M., Laptev S.S. et al. Modeling of high-voltage charging of
spacecraft. Proceedings of International Conference on Problems of Space/Environment Interactions, Novosi-
birsk, 1992, pp. 203-214.
9. Danilov V.V., Dvoryashin V.M., Elgin B.A., Drolshagen G. Numerical simulation of high-voltage space-
craft charging at high altitudes: Comparison of NASCAP and ECO-M. Proceedings of 6th SCTC, 1998,
pp. 257-267.
10. Katz I., Cooke D.L., Mandell M.J. Potentials on Large Spacecraft in LEO. IEEE Transaction on Nuclear Sci-
ence, 1982, v. NS-29, No 6, pp. 1584-1588.
11. Cooke D. et al. POLAR User’s Manual. Geophysics Laboratory Hanscom Air Force Base, MA 01731, Con-
tract Fl 9628-82-C-0081, 1989.
ГЛАВА 1.9
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА
313
12. Krupnikov К.К., Makletsov A.A., MileevV.N., Novikov L.S., SinolitsV.V. Mathematical model of space-
craft charging in low-Earth orbit. The First S-RAMP Conference, Sapporo, Japan, October 2-6, 2000,
S19-P21, p. 413.
13. Makletsov A.A., MileevV.N., Novikov L.S., SinolitsV.V. Effective ion current computation algorithm for
modelling of LEO spacecraft charging. Proceedings of 7th Spacecraft Charging Technology Conference,
23-27 April, 2001, ESTEC Noordwijk, The Netherlands, SP-476, pp. 555-556.
14. Krupnikov K.K., Makletsov A.A., Mileev V.N., Novikov L.S. Computer simulation of spacecraft charging at
the conditions of charged particles injection in magnetosphere. The First S-RAMP Conference, Sapporo, Ja-
pan, October 2-6, 2000, S19-P20, p. 412.
15. Brosse S., Chanrion O., Perrin V. Electric effects of plasma propulsion on satellite. Proceedings of 7th Space-
craft Charging Technology Conference, 23-27 April, 2001, ESTEC Noordwijk, NL, SP-476, pp. 139-144.
16. МалькоВ.Г., Плохих А.П., Семенов B.A. Моделирование зарядки космического аппарата в магнито-
сфере Земли при наличии на борту искусственных источников плазмы. Космонавтика и ракетострое-
ние, 2003, т. 1 (30), с. 136-147.
17. Mikellides I.G., Mandell M.J., Kuharski R.A., Davis V.A., Gardner B.M., Minor J. The electric propulsion in-
teraction code (EPIC). Proceedings of 8th Spacecraft Charging Technology Conference, 20-24 October,
Huntsville, Alabama, 2003, NASA/CP-2004-213091.
18. Davis V.A., Katz I., Mandell M.J., Gardner B.M. Spacecraft charging interactive handbook. Proceedings of
6th Spacecraft Charging Technology Conference, 1998, pp. 211-215.
19. Mandell M.J., Katz I., Hilton J.M., Cook D.L., Minor J. Nascap-2K spacecraft charging models: Algorithms
and applications. Proceedings of 7th Spacecraft Charging Technology Conference, 23-27 April, 2001, ESTEC
Noordwijk, The Netherlands, SP-476, pp. 499-508.
20. Mandell M.J., Katz I. NASCAP-2K overview. Proceedings of 8th Spacecraft Charging Technology Confer-
ence, 20-24 October, Huntsville, Alabama, 2003, NASA/CP-2004-213091.
21. Neergaard L.F., Minow J.I., McCollum M., Katz I., Mandell M., Davis V., Hilton J., Cook D. Comparison of
the NASCAP/GEO, POLAR, SEE Charging Handbook, and NASCAP-2K. 1. Spacecraft charging codes.
Proceedings of 7th Spacecraft Charging Technology Conference, 23-27 April, 2001, ESTEC Noordwijk, The
Netherlands, SP-476, pp. 115-120.
22. Clerc S., Brosse S., Chane-YookS. SPARCS: An advanced software for spacecraft charging analysis. Pro-
ceedings of 8th Spacecraft Charging Technology Conference, 20-24 October, Huntsville, Alabama, 2003,
NASA/CP-2004-213091.
23. Forest J., Eliasson L., Hilgers A. A new spacecraft plasma simulation software, PicUp3D/SPIS. Proceedings
of 7th Spacecraft Charging Technology Conference, 23-27 April, 2001, ESTEC Noordwijk, The Netherlands,
SP-476, pp. 515-520.
24. Roussel J.-F., Rogier F., Lemoine M., Volpert D., Rousseau G., Sookahet G., Seng P., Hilgers A. Design of
new modular spacecraft plasma interaction modeling software (SPIS). Proceedings of 8th Spacecraft Charging
Technology Conference, 20-24 October, 2003, Huntsville, Alabama, NASA/CP-2004-213091.
25. Krupnikov K.K., Makletsov A.A., Mileev V.N., Novikov L.S., Sinolits V.V. 3D computer simulation of spa-
cecraft charging effects. Proceedings of 6th Spacecraft Charging Technology Conference (Air Force Research
Laboratory, Hanscom AFB, MA, USA - 2-6 November 1998), AFR-VS-TR-20001578,2000, pp. 217-220.
26. Mileev V.N., Krupnikov K.K., Makletsov A.A., Novikov L.S., Sinolits V.V. The description of dynamic spa-
cecraft charging using of modem computer tools. Proceedings of 7th Spacecraft Charging Technology Con-
ference, 23-27 April, 2001 ESTEC Noordwijk, The Netherlands, SP-476, pp. 211-216.
27. Mileev V.N., Makletsov A.A., Novikov L.S. Features of charging of composite configuration spacecraft
charging in high orbits. Proceedings of 8th Spacecraft Charging Technology Conference, 20-24 October,
2003, Huntsville, Alabama, NASA/CP-2004-213091.
28. Крупников К.К., Маклецов А.А., Милеев В.Н., Новиков Л.С., Синолиц В.В. Современное состояние
физико-математической модели электризации КА на высоких орбитах. Космонавтика и ракетострое-
ние, 2003, т. 1 (30), с. 116-122.
29. Новиков Л.С., Милеев В.Н., Маклецов А.А., Крупников К.К., Синолиц В.В. Методы математического
моделирования взаимодействия космических аппаратов с окружающей средой. В кн.: Новые наукоем-
кие технологии в технике. Энциклопедия. Т. 17. Воздействие космической среды на материалы и обо-
рудование космических аппаратов. Под ред. Новикова Л.С., Панасюка М.И. М.: Изд-во НИИ «ЭНЦИ-
ТЕХ», 2000, с. 155-199.
314 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
30. Чан П., ТэлботЛ., Турян К. Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме. М.: Мир,
1978,201 с.
31. Ильин В.П. Численные методы решения задач электрофизики. М.: Наука, 1985, 333 с.
32. Самарский А.А., Андреев В.Б. Разностные методы для эллиптических уравнений. М.: Наука, 1976.
33. Parker L.W. Calculation of sheath and structure about a pillbox-shaped spacecraft in flowing plasma. Pro-
ceedings of 1st Spacecraft Charging Technology Conference, AFGL-TR-77-0051, NASA TMX-73573, 1977,
pp. 331.
34. Самарский A.A., Николаев E.C. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978.
35. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1972.
36. Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел Л. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987, 524 с.
37. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Под ред.
Холла Дж., Уатта Дж. М.: Мир, 1981,312 с.
38. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики. М.: Мир, 1989, 512 с.
39. Альперт Я.Л., Гуревич А.В., Питаевский Л.П. Искусственные спутники в разреженной плазме. М.: Наука,
1964,382 с.
40. Синолиц В.В., Новиков Л.С. Графический интерфейс для моделирования взаимодействия космических
аппаратов с окружающей средой. V Межвузовская научная школа молодых специалистов «Концен-
трированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва,
22-23 ноября 2004 г.). Под редакцией проф. Ишханова Б.С. и проф. Новикова Л.С. М.: Изд-во УНЦ ДО
МГУ, 2004, с. 117-124.
41. Mandell M.J., Luu Т., Lilley J., Jongeward G., Katz I. Analysis of dynamical plasma interactions with high
voltage spacecraft. Rep. PL-TR-92-2258, Phillips Lab., Hanscom Air Force Base, MA, 1992.
42. http://dev.spis.org/projects/spine/home.
43. Hilgers A., Thiebault B., Roussel J.-F., Forest J., Engwall E. Test and validation of a new spacecraft plasma
interaction software, SPIS. In 9th Spacecraft Charging Technology Conference, Tsukuba, Japan, 2-9 April
2005, JAXA.
44. Roussel J.-F., Rogier F., Volpert D., Forest J., Rousseau G., Hilgers A. Spacecraft plasma interaction software
(SPIS): Numerical solvers - methods and architecture. In 9th Spacecraft Charging Technology Conference,
Tsukuba, Japan, 2-9 April 2005, JAXA.
45. Forest J., Roussel J.-F., Hilgers A., Thiebault B., Jourdain S. SPIS-UI, a new integrated modelling environ-
ment for space applications. In 9th Spacecraft Charging Technology Conference, Tsukuba, Japan, 2-9 April
2005, JAXA.
46. Inouye G.T. Prog. Astronaut. Aeronaut., 1976, v. 42, pp. 103-120.
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Акишин А.И., Новиков Л.С., Маклецов А.А., Милеев В.Н.
НИИ ядериой физики МГУ
Список сокращений
КА космический аппарат
ПММА полиметилметакрилат
РПЗ радиационные пояса Земли
ЭСР электростатический разряд
ВВЕДЕНИЕ
Систематическое изучение объемной электризации диэлектриков применительно
к условиям космического пространства было начато позднее исследований явления
поверхностной электризации. Это в определенной степени было связано с представ-
лениями о необходимости накопления в диэлектриках флюенсов электронов
~1012—1014 см-2 для возникновения объемных электрических разрядов с образованием
разветвленных разрядных каналов - фигур Лихтенберга или, как их еще называют,
«электрических деревьев». Указанные значения пороговых флюенсов были получены
в многочисленных лабораторных исследованиях, выполненных, в частности, в НИИЯФ
МГУ Акишиным А.И. с сотрудниками на образцах оптических стекол и полиметил-
метакрилата (ПММА) при облучении их моноэнергетическими пучками электронов с
энергиями -1-10 МэВ [1, 2]. Накопление в условиях космического пространства в
диэлектриках объемного заряда, необходимого для возникновения электростатиче-
316 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
ских разрядов (ЭСР), казалось нереальным вследствие малой плотности потоков
электронов радиационных поясов Земли (РПЗ) и релаксации заряда на длительных
временных промежутках за счет проводимости диэлектриков.
Однако результаты ряда космических экспериментов, в особенности эксперимен-
тов, проведенных на космическом аппарате (КА) CRRES [3], убедительно показали,
что в космосе при воздействии на КА изотропных потоков электронов РПЗ с распре-
деленными энергетическими спектрами пороговое значение флюенса электронов,
соответствующее началу возникновения объемных электрических разрядов, снижа-
ется до ~1010-Ю11 см-2, т. е. на 2-3 порядка по сравнению с данными лабораторных
экспериментов. Была также обнаружена отчетливо выраженная корреляция частоты
возникновения разрядов с изменениями плотности потока электронов РПЗ, воздей-
ствующих на КА.
На поверхности КА CRRES были установлены образцы различных диэлектриче-
ских материалов, покрытые металлическими электродами достаточной толщины для
исключения проникновения в толщу диэлектриков электронов горячей плазмы. Тем
самым обеспечивались условия создания объемного внедренного заряда только вы-
сокоэнергетическими электронами РПЗ. Результаты экспериментов показали, что
разряды возникали далеко не во всех испытывавшихся образцах, т. е. условия воз-
никновения разрядов существенным образом зависят от свойств материалов. Тем не
менее полученная в этих экспериментах величина порогового флюенса (~Ю10см~2)
была включена впоследствии в ряд нормативных документов в качестве критерия
при оценке опасности возникновения объемных ЭСР [4]. С этих позиций был прове-
ден ретроспективный анализ имеющихся данных по возникновению ЭСР на ряде
геостационарных КА. Было показано, что значительная часть ЭСР могла быть обу-
словлена именно объемным заряжением [5].
1.10.1. Процессы формирования объемного заряда в облучаемых
диэлектриках
1.10.1.1. Торможение электронов и радиационная проводимость
Накопление объемного заряда в диэлектрике, облучаемом электронами с энер-
гиями -1-10 МэВ, определяется следующими основными процессами:
• торможением первичных электронов в диэлектрике за счет ионизационных и
радиационных потерь энергии;
• термализацией электронов в веществе с захватом их на ловушки разных типов;
• стоком электронного заряда из объема диэлектрика к облучаемой поверхности
и подложке за счет токов, обусловленных собственной и радиационной прово-
димостью диэлектрика.
Процессы прохождения через вещество электронов с указанными энергиями хо-
рошо изучены [6]. В рассматриваемых задачах для оценки глубины залегания объ-
емного заряда важно знать длину пробега электронов в веществе. Для описания
зависимости длины пробега R от энергии электронов Е широко используется фор-
мула Вебера [7]:
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КА
317
R = 0,55 Е \ 1-212511
I 1 + 3EJ
где Е измеряется в МэВ, а 7? - в г-см-2.
Хотя данное выражение было получено для расчета пробега электронов в А1, его
используют при проведении оценочных расчетов и для диэлектриков, например, сте-
кол и ПММА. Так, электроны с энергией 2 МэВ имеют длину пробега —0,8 г-см-2, что
соответствует ~3 мм, а для электронов с энергией 5 и 10 МэВ эта величина возрастает
до 1 и 2 см соответственно. Эти оценки справедливы для моноэнергетических пучков
при их нормальном падении на мишень. Для потоков электронов с энергетическими
и угловыми распределениями, характерными для РПЗ, профиль остановившихся
электронов находится на основании модельных расчетов, которые будут рассмотре-
ны ниже. Тем не менее приведенные данные позволяют судить о характерных про-
странственных масштабах явления объемного заряжения.
В процессе взаимодействия первичного электрона с материалом мишени проис-
ходит его торможение в результате передачи энергии электронам вещества, что в
конечном итоге приводит к его термализации. Электронно-дырочные пары, обра-
зующиеся при торможении электронов, изменяют электрофизические свойства облу-
чаемого диэлектрика. В частности, именно образованием пар объясняется возникно-
вение радиационной электропроводности (проводимости) диэлектриков.
Проводимость диэлектрических материалов КА в условиях воздействия космиче-
ской радиации может изменяться в широких пределах. Зависимость проводимости от
мощности дозы радиации 7?0 обычно описывается следующим выражением [8]:
° = °o+4X,
где сто - собственная темновая проводимость диэлектрика, Ат - радиационная прово-
димость при единичной мощности дозы, А - показатель степени, варьирующийся для
различных диэлектриков в интервале 0,3-1,0.
Типичные величины темновой проводимости диэлектриков ст0 лежат в диапазо-
не 10-13-10-18 Ом-1-м-1, а коэффициента Ат - 10-13-10-2° Ом-1-м-1-рад"д-сд.
Температурная зависимость проводимости диэлектриков упрощенно может быть
описана экспоненциальным законом:
£
о = ах ехр(—-£),
кТ
где Еа - энергия активации, типичные значения которой для диэлектриков состав-
ляют 1,0-1,5 эВ; ст,» - экспериментально определяемая константа.
В сильных электрических полях проводимость диэлектриков значительно возрас-
тает. В работе [9] получена следующая зависимость проводимости от напряженности
электрического поля Е и температуры Т\
/ГТ, 1 ти. 2X7 . , еЕ8
с(Е,Т) = — а(Т) (2 + cosh—-) ----sinh---,
3 2кТ еЕ8 2кТ
где PF = у] е3/ле; £ - диэлектрическая константа; 8 - линейный параметр ~10 нм.
Следует отметить, что указанная зависимость проводимости от электрического
поля существенна лишь при Е > 1 МВ-м-1.
318
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.10.1.2. Кинетика накопления объемного заряда и равновесное состояние
По мере накопления внедренного заряда в объеме диэлектрика возникает внут-
реннее электрическое поле, оказывающее воздействие на перенос заряда в диэлек-
трике. Токи и электрические поля в заряжаемом диэлектрике могут быть описаны
общей системой уравнений, основанных на уравнении непрерывности, законе Ома в
дифференциальной форме и уравнении Пуассона для данного вещества [10]:
j = oE + j,,
А
Аср = —
££0
где др - плотность объемного заряда; j - вектор плотности тока; стЕ - составляющая
тока, определяемая собственной проводимостью диэлектрика под влиянием напря-
женности поля Е объемного заряда; J, - вектор плотности тока носителей, инжекти-
руемых в образце под действием излучения.
Данную систему уравнений необходимо дополнить граничными условиями, соот-
ветствующими двум типичным ситуациям заряжения диэлектрического материала,
расположенного на поверхности КА:
• наличие на внешней (облучаемой) поверхности диэлектрика металлической
пленки, электрически соединенной с металлической подложкой и с корпу-
сом КА;
• открытая внешняя поверхность.
Равновесное состояние определяется балансом поступления зарядов в диэлектрик
за счет его облучения и стока зарядов из объема к поверхности. При этом могут дос-
тигаться (либо не достигаться) условия возникновения объемных электрических раз-
рядов.
Характерные особенности распределения по глубине напряженности поля и по-
тенциала без учета собственной и радиационной проводимости диэлектрика можно
получить с помощью простой аналитической модели [11, 12]. В качестве исходных
данных в этом расчете использовано распределение объемной плотности заряда по
глубине, показанное на рис. 1.10.1. При этом предполагалось, что энергия электронов
составляла ~1 МэВ при флюенсе 3,1 • 1014 м-2.
На рис. 1.10.2а показаны результаты расчета
распределения по глубине величины напряжен-
ности электрического поля и потенциала для
случая с заземленной внешней металлической
поверхностью, а на рис. 1.10.26 - аналогичные ре-
зультаты для открытой внешней поверхности.
Сопоставление рис. 1.10.2а и рис. 1.10.26 по-
казывает, что при одинаковой плотности заряда
др, Клм 3
Рис. 1.10.1. Модельное распределение
объемной плотности заряда
распределения напряженности поля и потенциа-
ла носят в этих двух случаях различный харак-
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КА
319
-0,5 -------1------1-----1------1------ _2,5 ----------1------1------1-----l
Рис. 1.10.2. Распределение по глубине диэлектрика напряженности
электрического поля Е и потенциала ср для образцов с заземленной внешней
металлической поверхностью (а) и с открытой внешней поверхностью (б)
тер. Для случая заземленной поверхности (рис. 1.10.2а) потенциал достигает мини-
мального значения (-400 В) на глубине, близкой к максимальной длине пробега
электронов, а для случая открытой поверхности (рис. 1.10.26) минимальное значение
потенциала значительно больше (-4500 В) и достигается на поверхности образца.
Распределения напряженности электрического поля в двух рассматриваемых случаях
отличаются на константу, определяемую граничными условиями. В случае заземлен-
ной поверхности (рис. 1.10.2а) на ней достигается максимальное положительное зна-
чение (~1,7 МВ-м-1), а в случае открытой поверхности (рис. 1.10.26) максимальная
отрицательная величина напряженности поля (—2,1 МВ-м"1) будет в нсоблученной
области (глубина больше 0,5 мм).
Многочисленные расчеты профилей внедренного электронного заряда, а также
распределений по глубине диэлектрика электрического потенциала и напряжен-
ности электрического поля для различных условий облучения диэлектрика, вклю-
чая реальные условия космического пространства, были выполнены с помощью
моделей DICTAT [12], ESADDC [13] , GEANT [14] и др.
1.10.1.3. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных
Далее приведем некоторые примеры сопоставления экспериментальных и расчет-
ных данных, подтверждающие справедливость описанных выше физических пред-
ставлений о процессах образования объемного заряда.
При интерпретации данных следует исходить из простой электростатической ана-
логии. Действительно, плоский облучаемый диэлектрик является плоским конденса-
тором, и максимальная величина напряженности электрического поля в нем имеет
экспоненциальную зависимость от времени /:
320 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Е =—(1-ехр(-//т)),
СУ
где т = е/су, е - относительная диэлектрическая проницаемость.
Измеряя динамику накопления объемного заряда и производя модельные расчеты,
можно производить сопоставление расчетных и экспериментальных данных.
На рис. 1.10.3а приведена зависимость потенциала открытой поверхности образца
эпоксидного материала толщиной 725 мкм от времени заряжения при его облучении
высокоэнергетическими электронами РПЗ со спектром, соответствующим условиям
на геостационарной орбите. Результаты лабораторных измерений [ 12] показаны (кри-
вая 1) вместе с расчетами, выполненными по программе DICTAT, при различных зна-
чениях темновой проводимости и коэффициента радиационной электропроводности.
Отметим, что за время эксперимента потенциал возрастает и не достигает равновес-
ного значения. Как видно из результатов расчетов, если не учитывать радиационную
проводимость (кривая 2, Ат = 0), при стандартной величине темновой проводимости
сто = 5-10‘17Ом‘1-м‘1 рассчитанный потенциал примерно в 2,5 раза превосходит экс-
периментальное значение. При увеличении коэффициента радиационной проводи-
мости потенциал поверхности падает. Наилучшее согласие с экспериментом на-
блюдается при Ат = 1-10”14 (кривая 3), а при Лш = 6,5-10"14 (кривая 5) рассчитанный
потенциал диэлектрика значительно меньше экспериментального наблюдаемого. На
рис. 1.10.3а приведены также результаты расчета при су0 = 4-Ю"15 Ом^-м”1 и А,п = 0
(кривая 4), которые близки к экспериментальным данным. Таким образом, возникно-
вение радиационной проводимости в рассматриваемом случае эквивалентно увели-
чению собственной проводимости примерно на 2 порядка.
На рис. 1.10.36 приведены аналогичные результаты для тефлонового покрытия
толщиной 350 мкм. Как показали эксперименты и результаты расчетов, равновесное
состояние для этого материала достигается за время ~ 1000 мин. На этом рисунке,
помимо экспериментальных данных (кривая 1), приведены две расчетные кривые для
случаев: ст0 = 5-Ю”17 Ом-1-м-1, Ат = 2-10"14 (кривая 2), и о0= 1,4-10"14 Ом-1м-1, Ат = 0
Рис. 1.10.3. Зависимость потенциала открытой поверхности эпоксидного (а)
и тефлонового образцов (б) от времени заряжения:
1 - экспериментальные данные; 2-5 - результаты расчетов
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КА
321
(кривая 3). Влияние радиационной проводимости в данном случае эквивалентно уве-
личению собственной темновой проводимости более чем в 3 раза по сравнению с
предыдущим рассмотренным случаем.
Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о сильном влиянии радиа-
ционной проводимости на процессы накопления объемного заряда в диэлектриках.
Поэтому вопросы, связанные с теоретическим описанием и измерением радиацион-
ной проводимости различных диэлектриков, будут более подробно рассмотрены в
последующих главах.
1.10.2. Исследование объемной электризации диэлектрических материалов
па спутнике CRRES
В этом разделе более подробно рассмотрим результаты упомянутых выше экспе-
риментов на борту ИСЗ CRRES, указавших на снижение порогового флюенса элект-
ронов при возникновении разрядов в объеме диэлектрика по сравнению с условиями
лабораторных экспериментов.
Спутник CRRES [3], специально предназначенный для изучения радиационной
обстановки и радиационных эффектов, был запущен 25.07.1990 г. и функционировал
до октября 1991 г. на геосинхронной эллиптической переходной орбите с высотой
апогея 35 768 км, перигеем 350 км и наклонением 18°. Таким образом, спутник
CRRES пересекал во время движения по орбите все основные области РПЗ в плос-
кости, близкой к геомагнитному экватору.
Для изучения процессов внутренней электризации типичных диэлектрических
материалов КА на борту CRRES был установлен прибор IDM (Internal Discharge
Monitor). Этим прибором осуществлялось измерение параметров электрических им-
пульсов, возникающих в образцах материалов за счет электрических разрядов, обу-
словленных заряжением этих образцов высокоэнергетическими электронами. Было
использовано 16 образцов материалов.
Для защиты от поверхностной электриза-
ции каждый образец был металлизирован.
Таким образом, исследования были на-
правлены только на изучение процессов
объемной радиационной электризации.
Основные результаты эксперимента
IDM приведены в [3]. Важной частью ана-
лиза результатов было сопоставление час-
тоты импульсов разрядов с потоками
электронов и их флюенсом. Так как спут-
ник CRRES за каждый оборот дважды пе-
ресекал РПЗ, можно было ожидать кор-
реляции между количеством импульсов и
величинами потоков электронов.
На рис. 1.10.4 показана зависимость
числа разрядных импульсов за час (кри-
Рис. 1.10.4. Зависимость числа разрядных
импульсов в час (1) и плотности потока
электронов (2) от времени t и номера А-оболочки
322
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
вая 1) и плотности потока электронов (кривая 2) от
времени и положения спутника, характеризуемого
Z-оболочкой. Хорошо видна корреляция между
числом импульсов и возрастанием потока элект-
ронов при прохождении КА через РПЗ.
Рис. 1.10.5 показывает зависимость максималь-
ного числа разрядов за время прохождения одного
витка от флюенса электронов за то же время, по-
строенную на основании полученного массива
экспериментальных данных. Видно, что число ре-
Рис. 1.10.5. Зависимость
максимального числа разрядов за
один виток от флюенса электронов
10 см-2 на диэлектрическом эле-
гистрируемых разрядов резко возрастает при зна-
чениях флюенса ~5-Ю10-Ю11 см-2.
Впоследствии величина флюенса электронов 10
менте за 10 часов, вычисленная с учетом экранирования рассматриваемого элемента
и энергетического спектра воздействующих электронов, была принята за критерий
возможности возникновения объемных электрических разрядов в диэлектриках [4].
Отметим, что данные CRRES не указывают на наличие корреляции между числом
электрических разрядов и величинами потоков протонов. Возникновение сбоев в ра-
боте бортовой аппаратуры за счет объемного заряжения диэлектриков было под-
тверждено также данными, полученными на КА GOES и др. При этом была установ-
лена связь между сбоями и увеличением потоков электронов с Е > 2 МэВ [4, 15].
Как видно из проведенного анализа, величины флюенсов высокоэнергетических
электронов, при которых в натурных условиях возникают разряды и радиационные
аномалии, оказываются на 2-3 порядка меньше, чем величины флюенсов моноэнер-
гетических направленных пучков электронов, приводящих к аналогичным разрядам в
диэлектрике в лабораторных экспериментах.
1.10.3. Лабораторные исследования электроразрядных явлений
при объемном заряжении диэлектриков
Способность диэлектрика эффективно аккумулировать электрический заряд опре-
деляется его высоким удельным сопротивлением (р> 1014Ом-см), гетерогенностью
структуры и наличием глубоких энергетических ловушек в запрещенной зоне. Коэф-
фициент захвата заторможенных электронов в диэлектриках, например, в оптических
стеклах, при комнатной температуре составляет несколько процентов. При охлажде-
нии же диэлектрика до криогенных температур захватываются практически все па-
дающие электроны.
Если напряженность электрического поля, создаваемого в объеме облученного
диэлектрика внедренным зарядом, превысит электрическую прочность диэлектрика
(~ 108 В-м”1), то произойдет электрический пробой диэлектрика на его поверхность с
образованием разветвленного разрядного канала, который, как уже указывалось вы-
ше, принято называть фигурой Лихтенберга или «электрическим деревом». Им-
пульсные разрядные токи могут достигать 100 А при плотности тока ~106 А-см”2. Для
образцов оптических стекол и ПММА при облучении их в лабораторных условиях
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КА
323
пучками электронов с энергией -1-10 МэВ самопроизвольный разряд в объеме об-
разца происходит при флюенсах 1013—1014 см-2.
В результате образования разрядных каналов резко ухудшаются оптические и ме-
ханические характеристики диэлектрических материалов и даже может происходить
разрушение элементов КА, изготавливаемых из них. При выходе основного разрядного
канала на поверхность диэлектрика в окружающее пространство инжектируется плаз-
моид, создающий электромагнитное излучение в широком частотном диапазоне
В настоящем разделе дан анализ физико-технических проблем, связанных с раз-
рядными явлениями в объеме радиационно-заряженных диэлектрических материалов
и изготовленных из них элементах конструкции КА [1,2, 10, 16-22].
1.10.3.1. Формирование разрядных каналов
На рис. 1.10.6 показана фигура Лихтенберга, образовавшаяся в шаре из ПММА
диаметром 10,5 см после электрического пробоя внедренного в его объем электри-
ческого заряда при облучении электронным пучком с энергией 22 МэВ при флюен-
се 1013 см"2 [23]. Плотность тока при облучении составляла -30-60 нА-см"2. Можно
допустить, что внедренный электронный заряд распределялся относительно равно-
мерно по всему объему облучаемого шара, с учетом того, что эффективный пробег
электронов с Е - 22 МэВ в ПММА составляет около 12 см, а шар при облучении
вращался. В приповерхностной зоне шара толщиной 3-5 мм концентрация вне-
дренного электронного заряда, по-видимому, резко снижается из-за краевого эф-
фекта [24].
По оценкам, интегральный заряд в шаре составил -(1-2)-10"4 Кл. Основные пара-
метры, характеризующие условия облучения шара и процесс электрического пробоя,
приведены в табл. 1.10.1.
Для описания процесса формирования фигуры Лихтенберга можно использовать
модельные представления, содержащиеся в [25-28]. При прорастании электрическо-
го дерева в диэлектрик можно рассмотреть две стадии развития, предшествующие
пробою. Сначала наблюдается стадия зарождения в виде малой каверны (область
материала с пониженной плотностью) в точке с
высокой напряженностью электрического по-
ля, достаточной для поддержания парциальных
разрядов. При длительном воздействии поля
электрическое дерево будет прорастать через
диэлектрик, образуя сложную форму. Вторая
стадия электрического пробоя связана с фор-
мированием разрядного канала, так как в этот
момент протекает максимальный разрядный
ток. Сопутствующим явлением при пробое
является упоминавшийся выше выброс плаз-
моида из основного разрядного канала. В со-
став такого плазмоида входят и твердые части-
цы, образующиеся за счет деструкции мате- рис. 1.10.6. Фигура Лихтенберга
риала. в шаре из ПММА
324
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.10.1
Основные параметры условий облучения шара и электрического пробоя
Параметры Значение
Электрическая прочность (средняя), МВ-см-1 1,8
Энергия электронов, МэВ 22
Плотность тока электронного пучка, нА-см-2 30-60
Критический флюенс электронов, см-2 10|3-10'4
Предпробойная доза излучения, Гр 104-105
Мощность дозы излучения, Гр-с-1 102-103
Время пробоя, мкс ~ 1
Диаметр основного разрядного канала, мкм -50-100
Разрядный ток в основном канале, А ~100-200
Плотность тока в канале, А-см"2 ~ 106
Энергия разряда, Дж ~10-20
Мощность разряда, Вт ~ 107
Удельная плотность мощности в разрядном канале, Вт-см-3 10"-1012
Чтобы понять формирование электрического дерева в диэлектриках, в частности в
полимерах, необходимо объяснить, как возникают каверны в объеме материала при
наличии электрического поля. Предполагается, что этот процесс имеет хаотическую
природу и требует передачи энергии от электрического поля в полимер [26]. Зарож-
дение электрического дерева начинается с инжекции заряда в полимер, что связыва-
ется, например, с появлением электролюминесценции, которая предшествует появ-
лению парциальных разрядов в материале. Электролюминесценция характеризует
наличие в объеме инжектированных зарядов, которые передают энергию и возбуж-
дают молекулы полимера. В этих условиях инжекция заряда доставляет в полимер
энергию, которая тратится на химическую деструкцию молекулярной структуры, и
как следствие, в материале возникает система сообщающихся друг с другом каверн, в
которых может поддерживаться газовый разряд. Сам механизм формирования каверн
до конца не ясен. Одна из возможностей такого процесса связана с ударной иониза-
цией и возбуждением молекул полимера горячими электронами в электрическом по-
ле. Электроны обладают высокой подвижностью и легко ускоряются. Другая воз-
можность предполагает воздействие ультрафиолетового излучения от возбужденных
молекул. При разрыве молекулярных связей образуются свободные радикалы, кото-
рые потом соединяются с кислородом, образуя летучие фрагменты.
Прорастание электрического дерева характеризует процесс перехода от зарожде-
ния к распространению парциальных разрядов длительностью -10-100 нс в газона-
полненных каналах, где генерируемый заряд составляет -10"13 Кл, линейный размер
первичной каверны -5-10 мкм, ее радиус -1 мкм. Давление в канале соответствует,
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КА
325
по-видимому, минимуму кривой Пашена при давлении ~1 Па. Такие разряды инжек-
тируют электрические заряды в полимер вокруг головки разряда, т. е. выполняют
роль электрода в процессе прорастания электрического дерева. Световое излучение
электролюминесценции концентрируется на вершинах электрического дерева, сама
структура электрического дерева является проводящей.
В тех электрических деревьях, которые прорастают посредством инжекции пар-
циальных разрядов, главное значение имеет путь, выбранный единичным парциаль-
ным разрядом внутри структуры электрического дерева, он определяет вершины, где
может произойти разрушение полимера. Электрические деревья развиваются во вре-
мени как при постоянном, так и при переменном напряжении, поэтому временной
анализ развития электрического дерева может дать много полезной информации.
Известно, что прирост электрического дерева происходит в момент возникно-
вения электрических разрядов большой амплитуды. Время инициирования элект-
рического дерева в полимере (инкубационный период) снижается с ростом напря-
жения [29].
Степень механического повреждения диэлектрика объемными электрическими
разрядами может быть оценена путем фотометрирования фигур Лихтенберга.
Рис. 1.10.7. Соотношение полного
объема Ир разрядных каналов
и их диаметра dv
Рис. 1.10.7 характеризует соотношение полного объ-
ема разрядных каналов и их диаметра в радиаци-
онно-заряженном образце ПММА после электри-
ческого пробоя. Основной вклад в диффузионное
рассеяние света обусловлен каналами диаметром
в несколько десятков микрометров.
На фотографии разрядного канала (рис. 1.10.8),
полученной с помощью оптического микроскопа
(увеличение х 100) после электрического пробоя
радиационно-заряженного стекла ТК-114, хоро-
шо видны каналы, состоящие из цепочки после-
довательных локальных трубчатых полостей
размером в десятки микрон, нанизанных на трек разрядного канала, что также не
противоречит модели ступенчатого электрического пробоя в твердом полимерном
диэлектрике [30].
Для анализа структуры фигур Лихтенберга
может быть применена теория фрактальных
процессов [31-33]. В качестве примера рас-
смотрим использование фрактальной геомет-
рии для анализа фигуры Лихтенберга в образ-
це ПММА, облученном электронами с энергией
4 МэВ при флюенсе 1013 см"2 (рис. 1.10.9). При
анализе была использована компьютерная
технология, рассмотренная в [32].
На рис. 1.10.10 приведено построенное с
помощью этой технологии компьютерное ото-
бражение фигуры Лихтенберга, фотография
Рис. 1.10.8. Микрофотография
разрядного канала в стекле, облученном
электронами с энергией 4 МэВ
326
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.10.9. Фигура Лихтенберга
в образце ПММА
Рис. 1.10.10. Компьютерное
отображение на мониторе
фигуры Лихтенберга
Рис. 1.10.11. Фрагмент пластины
из ПММА с цилиндрическими
каналами после облучения
электронами
которой представлена на рис 1.10.9. Фрак-
тальный кластер является удобным объек-
том для построения численных моделей,
позволяющих исследовать механизмы фор-
мирования фигур Лихтенберга в различных
условиях.
Аналогичная картина возникновения
макроскопических фрактальных кластеров
имеет место при воздействии импульса ла-
зера и возникновении светового пробоя в
объеме прозрачных диэлектриков, в состав
которых входят углерод и кислород. При
этом в зоне светового пробоя за счет диссо-
циации легко ионизуемых примесей в ди-
электрике создается дополнительная кон-
центрация свободных электронов, погло-
щающих лазерное излучение. В результате
возникают условия, приводящие к термохи-
мической неустойчивости среды, связанные
с процессом термического разложения ос-
новного окисла стекла.
Из приведенного выше рис. 1.10.9 видно,
что при облучении электронами пластины
ПММА наблюдается краевой эффект, про-
являющийся в отсутствии следов фигур
Лихтенберга в зоне шириной около 0,5 см от
края пластины. На рис. 1.10.11 представлена
фотография образца из ПММА 1, на фрон-
тальной плоскости которого высверлены
цилиндрические каналы 2 глубиной 1 см и
диаметром 0,5 см при равномерном шаге их
расположения 1,5 см. Образец был облучен
нормально к плоскости фотографии элект-
ронами с энергией 7 МэВ и флюенсом
~1013см-2. Хорошо видно, что электрораз-
рядные каналы 3 отсутствуют как около
края пластины ПММА, так и в кольцевой
зоне шириной ~0,5 см от края пор. Этот эф-
фект при соответствующем эксперименталь-
но подобранном диаметре и шаге располо-
жения каналов был использован для созда-
ния изолятора, предназначенного для рабо-
ты в условиях радиационных воздействий и
устойчивого к разрушительному воздейст-
вию электроразрядных процессов [34].
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КА
327
1.10.3.2. Инициирование электрического пробоя в радиационно-заряженных
диэлектриках импульсным лазерным излучением
Известно, что при воздействии лазерного излучения на радиационно-заряженные
стекла за счет светового пробоя может инициироваться электрический разряд в объ-
еме материала [35, 36].
В экспериментах исследовали стекла различного состава (боросиликатные, бо-
ролантановые и фосфатные), в которых хорошо накапливался и сохранялся объем-
ный заряд. Электризация объема стек-
Рис. 1.10.12. Электрический пробой в стекле при
лазерном инициировании: 1-заряженныйобразец,
2 - зона светового пробоя, 3 - приповерхностные
разрядные каналы, 4 - облучавшаяся
сторона образца
ла проходила при воздействии на него
пучка моноэнергетических электронов
с энергией 1-25 МэВ. Флюенс частиц
(1012—1014 см-2) выбирался примерно в 2
раза меньшим, чем необходимо для
самопроизвольного пробоя заряженно-
го образца, т. е. напряженность элект-
рического поля, созданного объемным
зарядом, была близка к электрической
прочности стекла. Для инициирования
электрического разряда в облученных
электронами диэлектриках использова-
лось излучение лазера на кристалле
AHT:Nd3+ или неодимовом стекле в режиме модулированной добротности (т = 20 нс,
Х= 1,06 мкм). Пример изображения фигуры Лихтенберга, полученной в таких усло-
виях, приведен на (рис. 1.10.12).
Быстрое инициирование дает возможность исследовать начальную стадию элек-
трического разряда и получить информацию о механизме его формирования и раз-
вития (рис. 1.10.13).
Как правило, световой пробой в твердом диэлектрике сопровождается ростом
трещин из области пробоя. Прорастающая трещина играет роль микроострия, на-
рушающего однородность электрического поля. Напряженность электрического
поля вблизи острия трещины может в десятки и сотни раз превышать среднюю по
образцу, что должно существенно облегчать развитие электрического разряда. Од-
новременно в той же области появляется
плазма светового пробоя, которая является
источником свободных носителей для разви-
тия лавины. Тем самым создаются условия
для электрического разряда. Наблюдаемую
временную задержку электрического разряда
относительно светового пробоя следует
отождествлять со временем формирования
проводящего канала между областью лока-
лизации заряда и поверхностью образца.
При энергии электронов 2 МэВ объемный Рис. Мо.13. Лазерное инициирование (1)
заряд локализован практически В ПЛОСКОСТИ электрического разряда в стекле (2)
328
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
на расстоянии ~0,2 см от поверхности, на которую падал пучок электронов, В слу-
чае электронов с энергией 8 МэВ область
локализации заряда более размыта.
Минимальное расстояние от поверхности
образца 0,5-0,6 см.
При поверхностном инициировании
основной канал фигуры Лихтенберга вы-
ходит в точку инициирования, а при ини-
циировании в объеме проходит через нее
на ближайшую поверхность образца. На
рис. 1.10.14 представлен результат регист-
рации свечения оптического и электриче-
ского разрядов с помощью скоростной фо-
тосъемки.
Во всех экспериментах наблюдалась за-
держка электрического пробоя относитель-
Рис. 1.10.14. Свечение оптического (1)
и электрического (2) разрядов
в стекле CTK-109
но инициирующего светового. Минимальную величину задержки, составляющую
2-10”8 с, наблюдали при инициировании с поверхности и энергии электронов
2 МэВ. Максимальные задержки до 5-10”7с были зафиксированы при объемном
инициировании и энергии электронов 8 МэВ. При инициировании с поверхнос-
ти задержка тем больше, чем глубже от поверхности область локализации заря-
да, при объемном инициировании - чем дальше от поверхности точка иницииро-
вания.
При обработке полученных экспериментальных данных было установлено, что
электрический разряд разгорается за 2-10“8 с, а затухает в два этапа: на первом интен-
сивность свечения падает в течение 5-10”8с, а на втором - за время 10"6с. Полное
время свечения области электрического пробоя составляет 2-10”6 с. На основании
этих данных с учетом длины разрядного канала можно получить среднюю скорость
развития разряда порядка 5-Ю5 см-с"1, что согласуется с оценкой, сделанной на осно-
ве модельных представлений.
При облучении электронным пучком образцов диэлектриков (ПММА, оптиче-
ского стекла) с толщиной больше пробега электронов электрический пробой про-
а б в
Рис. 1.10.15. Фотографии в поляризованном свете образца ПММА,
облученного электронами с энергией 2,1 МэВ при разных флюенсах:
а - 1,3- Ю'2 см'2; б - 3,9-1012 см'2; в - 6,5-1012 см'2.
Образец облучался через грань, обращенную вниз
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КА
329
исходит, как правило, на ближайшую поверхность к области залегания максималь-
ной плотности объемного заряда.
В ряде экспериментов в процессе облучения и пробоя производилась киносъемка
облучаемого образца в поляризованном свете. Облучаемый образец оптического
стекла или ПММА помещался между двумя поляроидами. Перед первым поляроидом
(поляризатором) размещался источник света, за вторым поляроидом (анализато-
ром) - кинокамера. При скрещенных поляроидах в отсутствие электрического поля в
образце свет через систему поляроидов и образец не проходит (затемненная область
фотографии). При возникновении в образце в процессе облучения в результате на-
копления внедренного заряда сильного электрического поля, вследствие эффекта
Керра происходит поворот плоскости поляризации, и на фотографии наблюдаются
светлые области, соответствующие распределению напряженности электрического
поля по толщине образца (рис. 1.10.15).
При облучении образцов ПММА электронами с энергией 0,6-2,6 МэВ,
j ~ 1011 см"2-с-1 пробой образцов происходил при флюенсе Ф ~ 1013 см"2, при облуче-
нии оптических стекол - при Ф ~ 1012-1014 см”2.
Если образец ПММА, в котором уже произошел пробой внедренного заряда на
облучаемую поверхность, вторично облучался с противоположной стороны, то по-
вторный пробой происходил не на поверхность, через которую проводилось повтор-
ное облучение, а в зону фигуры Лихтенберга, образовавшуюся при первичном облу-
чении. В последнем случае флюенс электронов, при котором происходил пробой,
был в несколько раз меньше, чем при первичном пробое.
Из кинограмм процесса первичного и вторичного пробоев образца ПММА тол-
щиной 16 мм при облучении электронами с энергией 1,2 МэВ и 4 МэВ было видно,
что первичный пробой, как правило, происходит мгновенно, при этом образуется
один разрядный канал, и в процессе дальнейшего облучения образовавшаяся разряд-
ная структура не изменяется. Процесс вторичного пробоя не заканчивается после
образования одного разрядного канала. По мере дальнейшего облучения постепенно
возникают дополнительные, зачастую весьма многочисленные, разрядные каналы,
соединяющие вторичную фигуру Лихтенберга с первичной.
Характер вторичного пробоя можно объяснить изменением структуры образца
после первичного пробоя из-за появления микротрещин, снижающих электрическую
прочность образца. Кроме того, на характер вторичного пробоя может оказывать
влияние остаточное электрическое поле в образце после первичного пробоя. Элек-
трическое поле может быть связано с поляризацией диэлектрика или с компенси-
рующим положительным зарядом.
1.10.3.3. Объемный электрический пробой в стеклах при облучении протонами
Электроразрядные явления при облучении неорганических стекол протонами с
энергией 100 МэВ исследовались на протонном инжекторе ЛИ-100 ИФВЭ (г. Прот-
вино) [37-40]. Изображение фигуры Лихтенберга, полученной в этих экспериментах,
показано на рис. 1.10.16.
Было исследовано разрушение в этих условиях блока оптического стекла марки
БК-108 размером 40 х 35 х 8 см после электрического пробоя внедренного на глубину
330
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
3,5 см протонного заряда. При облучении диаметр
протонного пучка составлял около 3 см, флюенс
1013см"2. Блок стекла подвергался пятикратному
облучению в разных областях фронтальной поверх-
ности. Сильный разрушающий эффект при разряде
обусловлен высокой энергией пучка протонов
(100 МэВ) и значительной площадью облучения
(~10см2).
На рис. 1.10.17 показана фотография разрушен-
ного образца. В процессе облучения протонами
произошли электрические пробои внедренного
протонного заряда, два из которых, образовав фи-
гуру Лихтенберга и разрядный канал в объеме
стекла, не привели к расколу образца, а третий
пробой в результате облучения в центральную зону
вызвал раскол блока на две части. Четвертое и
пятое облучение производилось по одной из раско-
ловшихся частей блока, и произошедшие при этом пробои также вызвали раскалы-
вание этой части стекла.
Рис. 1.10.16. Фигура Лихтенберга
в стекле, облученном протонами
с энергией 100 МэВ
На рис. 1.10.18 приведена фотография поперечного разлома того же блока стек-
ла 1. Направление падения пучка протонов с у ~ 1012 см"2-с-1 показано стрелками 4.
Видны фигуры Лихтенберга 2 в конце пробега протонов (7? ~ 3 см) и основной раз-
Рис. 1.10.17. Характер механических разрушений
стекла при облучения протонами высокой
энергии
Рис. 1.10.18. Поперечный разлом стеклянного
блока, разрушенного при электрическом пробое
внедренного протонного заряда
рядный канал э в очаге разрушения, а
также волнистая зона разлома 5, соот-
ветствующая быстрому разрушению
стекла. Скорость образования трещи-
ны на этой стадии может достигать
максимальных значений. Волнообраз-
ный рельеф покрывает практически
всю поверхность разлома, что под-
тверждает взрывной характер разру-
шения. Высота волн ~0,5 мм, период
~2-5 мм. При электрическом пробое
радиационно-заряженных стекол реа-
лизуется одновременно несколько
механизмов формирования динамиче-
ских механических напряжений.
Зависимость характера разрушения
от величины энерговыделения отмече-
на в ряде работ, где рассмотрено воз-
действие мощных импульсных наносе-
кундных пучков электронов наносе-
кундной длительности на диэлектрики,
включая неорганические стекла
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КА
331
Идеально хрупкое разрушение, т. е. без возникновения пластических деформаций
вплоть до разрушения, можно наблюдать на таких материалах, как кварц и силикат-
ное стекло.
При растрескивании хрупкого диэлектрика стенки трещины, расположенные друг
против друга, заряжаются противоположными зарядами. В головке трещины возни-
кает сильное электрическое поле, в котором зажигается разряд. Подвод новых носи-
телей заряда в канал пробоя происходит в результате внутренней механоэмиссии в
стеклах. Процесс образования трещин и процесс формирования разрядных каналов
взаимосвязаны.
Как известно, интенсивность и характер разрушения при электрическом пробое
хрупкого диэлектрика определяются динамикой механических напряжений, связан-
ных с импульсным давлением в разрядном канале. С другой стороны, на характер
разрушения влияют также механические напряжения, формируемые в объеме при
распространении ударной волны от очага разрушения к периферии. Давление на
фронте ударной волны и скорость ее распространения связаны со скоростью выделе-
ния электрической энергии в разрядном канале. Максимальная мощность в основном
разрядном канале определяется сопротивлением токового шнура, свойствами разру-
шаемого диэлектрика и параметрами разрядного контура, формируемого в свою оче-
редь областью залегания внедренного заряда и запасенной удельной электростатиче-
ской энергией.
При одновременном действии механических и электрических нагрузок пондермо-
торные и механические напряжения складываются. Механическая прочность заря-
женного диэлектрика становится ниже. Электрическая прочность твердого диэлек-
трика при механическом нагружении тоже понижается.
Радиационно-заряженный диэлектрик находится в постоянном механическом
напряжении, что вызвано неоднородным распределением в объеме облученного
материала объемного заряда. Расчеты показывают, что при объемных электриче-
ских полях Е~107В-см-1 внутренние механические напряжения могут достигать
40-450 кг-см"2.
Теоретическая прочность стекла составляет -5-104 кг-см"2, однако реальные раз-
рушающие напряжения - существенно ниже и определяются характером нагрузки,
формой и размерами образца, наличием дефектов на поверхности и в объеме, внут-
ренними напряжениями, температурой образца [41].
Образовавшиеся при пробое разрядный канал и фигура Лихтенберга являются
одновременно и источником ударной волны, создающей разрушающие напряжения
в стекле, и дефектами, ослабляющими прочность стекла.
Следует учитывать, что в образце стекла в процессе облучения протонами по
мере накопления объемного заряда и увеличения внутренней напряженности элек-
трического поля возникли механические напряжения, и разрушение стекла ударной
волной, образовавшейся при пробое, происходило в предварительно напряженном
образце.
При формировании разрядного канала, диаметр которого составляет 200-300 мкм,
имеет место резко неоднородное выделение энергии. Из зоны канала в момент разря-
да за счет высокого давления (~109—1010 Па) формируется сетка радиальных трещин
332
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.10.19. Структура
основного разрядного канала
в стеклянном образце
от оси канала в круговую зону разрушения с попе-
речными размерами 2-3 мм (рис. 1.10.19). В верх-
ней части рисунка видна воронкообразная область,
через которую заряд при пробое стекает в разряд-
ный канал. Канал выходит на нижнюю плоскость
образца, облучавшуюся протонами.
Сетка радиально ориентированных трещин за-
канчивается зоной дробления стекла, что характер-
но для электрического взрыва. При механическом
напряжении вблизи предела упругости стекло на-
чинает дробиться трещинами на мелкие блоки.
Размер блоков, образующихся при дроблении
стекла в импульсе сжатия, менее 100 мкм. Вероят-
но, дробление стекла осуществляется сеткой тре-
щин сдвига, инициируемых на поверхности канала,
где сконцентрированы трещины и другие потенци-
альные очаги разрушения. Под действием напря-
жений сетка трещин прорастает в глубь образца.
Таким образом, волна разрушения распространяется путем непрерывного роста
зоны дробления в напряженном материале.
Расширяющийся канал генерирует волну разрушения, распространяющуюся
по объему стекла со скоростью —1,5 км-с”1, что вызывает нарушение сплошности
стекла. Для силикатных стекол предел упругости лежит в интервале 6-9 ГПа. На-
личие зоны дробления стекла позволяет считать, что в основном разрядном канале
в момент пробоя импульсное давление достигает 5 -109-1010 Па.
Электрический пробой радиационно-заряженного твердого диэлектрика, облу-
ченного протонами с энергией до 100 МэВ, сопровождается выбросом в окружаю-
щую среду плазмоида через одну из его граней. При этом разрядный ток в основном
канале может достигать 100 А, энергия разряда ~1 Дж, а время ~0,1-1 мкс. При элек-
трическом пробое диэлектрика и релаксации плазмоида возникает радиоизлучение в
частотном диапазоне 0,1-1000 МГц.
Параметры, характеризующие электрический разряд в оптическом стекле при
облучении протонами, приведены в табл. 1.10.2.
Исследование структуры электроразрядных каналов, образующихся при элект-
рическом пробое радиационно-заряженных стекол и других диэлектриков, позволя-
ет выявить особенности их формирования и оценить их влияние на изменение важ-
нейших характеристик диэлектрических материалов в процессе радиационной
электризации с точки зрения энергозатрат.
Скорость релаксации объемного внедренного заряда в радиационно-заряженных
стеклах зависит от состава стекла, а также от вида, энергии и интенсивности пучка
заряженных частиц, наличия или отсутствия заземленных контактов на гранях об-
разца. Важное значение имеют и условия хранения облученных образцов. Релакса-
ция заряда во времени протекает по сложному закону (есть «быстрая» и «медлен-
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВКА
333
Таблица 1.10.2
Основные параметры, характеризующие кумуляцию энергии
электрического разряда в канале
Параметр Значение
Энергия разряда, Дж ~1
Время разряда, с Ю-’-Ю’6
Мощность разряда, Вт 106-107
Ток разряда, А 1-100
Плотность тока, А-см-2 ю7
Скорость нарастания тока, А с-1 ю8
Энергия каналообразования в стекле, Дж ем-3 10"
Объем разрядного канала, см3 10’5
Удельная плотность мощности в РК, Вт-см-3 10"-1012
Электрическая прочность стекла, МВсм-1 1,5
Разность потенциалов в объеме, МВ ~5
Температура в канале, К (3-5)-103
Давление в канале, Па ю’-ю10
Плотность плазмы в канале, см-3 ю20
Частотный диапазон радиоизлучения, МГц 0,1-Ю3
ная» составляющие релаксации) как за счет освобождения с мелких энергетических
уровней захвата в запрещенной зоне диэлектрика избыточных носителей заряда
(электронов, дырок), так и с помощью собственной проводимости (ионной, элект-
ронной, дырочной).
Измерение электрического поля в объеме облучаемого протонами стекла осу-
ществлялось методом электрострикции. Непосредственно измеряемой величиной
являлся электрический отклик V(t) в мВ, получаемый с образца при подаче на него
импульсного электрического поля длительностью -2-10-8 с, максимальное значение
приложенного напряжения 7 кВ. Предварительно велась калибровка всей измери-
тельной системы от внешнего электрического поля.
Начальный участок типичной осциллограммы регистрируемого сигнала опре-
деляется техническими условиями работы измерительной установки в начальный
момент включения регистрации сигнала. По осциллограммам рассчитывались
значения V(x). Из полученных результатов следует, что за время хранения облу-
ченных образцов в них сохранился достаточно большой электрический заряд. По
имеющимся экспериментальным результатам можно оценить время релаксации
заряда в исследуемых стеклах. Если предположить, что релаксация заряда опре-
деляется только одним типом ловушек, а это вполне допустимо для больших вре-
мен, то для £(/) справедливо следующее выражение:
334
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Et = Et = Q ехр(-//т),
где т - постоянная времени релаксации заряда.
Если считать, что начальное электрическое поле Et = Q составляло 106В*см-1, то
для разных типов исследованных стекол т лежит в интервале 5-106-5-107 с.
Скорость релаксации внедренного объемного заряда сильно отличается для раз-
личных материалов. Быстрая релаксация внедренного заряда наблюдается в ще-
лочно-галлоидных монокристаллах, в кристаллическом кварце. В ряде неоргани-
ческих материалов (некоторых видах керамики и стекол) внедренный объемный
заряд способен сохраняться в течение многих месяцев и даже лет.
Например, образцы стекол были облучены в январе 1987 г. пучком протонов с
энергией 100 МэВ и в течение 10 лет хранились при комнатной температуре. Ини-
циирование электрического пробоя аккумулированного в стеклах заряда производи-
лось методом укола грани образца вольфрамовой иглой в центре облученной зоны со
стороны, противоположной протонному облучению. В момент укола наблюдался
электрический пробой внедренного заряда на иглу. В зоне, в которой концентриро-
вался внедренный протонный заряд, как правило, возникает фигура Лихтенберга.
Площадь образовавшейся фигуры Лихтенберга зависит от зоны облучения, флюенса
частиц пучка и мощности электрического разряда. В процессе электрического пробоя
измерялась величина и знак заряда.
С течением времени происходит не только уменьшение величины внедренного
заряда, но и изменение распределения его и связанного с ним компенсирующего
заряда по глубине образца. Из экспериментов с оптическими стеклами типа «крон»
следует, что характер электрического пробоя в радиационно-заряженных стеклах в
случае спонтанного пробоя, а также пробоя, инициированного внешним механиче-
ским воздействием, как в процессе облучения или через короткое время после об-
лучения, так и после 10-лстнего хранения не изменился. Фигуры Лихтенберга при
пробое возникают в конце пробега протонов в стекле, что свидетельствует о том,
что область объемного протонного заряда после облучения заметным образом не
изменила своего расположения.
1.10.3.4. Эмиссионные явления при пробое радиационно-заряженных
диэлектриков
Как уже указывалось выше, электрический пробой радиационно-заряженного
твердого диэлектрика, облученного электронами или протонами высокой энергии,
сопровождается выбросом в окружающую среду плазмоида из разрядного канала,
выходящего на поверхность [42-46]. На рис. 1.10.20 приведена фотография стеклян-
ного блока, в котором произошел электрический пробой при облучении протонами с
энергией 100 МэВ. На рисунке хорошо виден разрядный канал 1, выходящий на одну
из граней. В правой части рисунка показано укрупненное изображение области раз-
ряда при других условиях освещения.
Уже отмечалось, что разрядный ток в основном канале может достигать 100 А,
энергия разряда до 1 Дж, а время ~0,1—1 мкс. Скорость движения стримера в канале
составляет -6-106 см-с”1. Длительность импульса разрядного тока обычно изме-
ГЛАВА 1 10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КА
335
Рис. 1.10.20. Блок оптического стекла со следами электроразрядпого
разрушения после протонного облучения:
1 - выход разрядного канала на поверхность
ряется в вакуумной камере при наличии металлических стенок, поэтому пара-
метры разрядного тока в космических условиях могут быть отличными от лабора-
торных.
В неорганических диэлектриках, например в стеклах марок БК-108, ТК-120,
СТК-112, инжекции плазмоида из разрядного канала сопутствует акустическая и фо-
тонная эмиссия, а также выброс заряженных макрочастиц размером -10 нм за счет
диспергации вещества в разрядном канале диэлектрика.
В результате газодинамического сверхзвукового расширения плазмоида при вы-
ходе из разрядного канала в неравновесных условиях протекают также процессы кла-
стеризации пара и продуктов деструкции материала в кластеры размером до 5 000
атомов. Как известно, такие кластеры характеризуются высокой реакционной спо-
собностью, имеют большую удельную поверхность и время жизни до долей секунды.
Они являются основой кластерной структуры плазмоида.
Модели выхода плазмоида в вакуум из разрядного канала предполагают разде-
ление электрических зарядов, что создает условие для образования высокой раз-
ности электрических потенциалов, вследствие чего энергия эмитированных в ваку-
ум электронов или ионов может достигать -104 эВ.
Разрядный канал после выхода плазмоида длительное время является источни-
ком экзоэлектронной эмиссии с интенсивностью 102-103 электрон-с”1. Газовыделе-
ние из разрядного канала при одиночном пробое достигает 1016 молекул. Основная
доля этого газа в вакууме ионизируется потоком электронов, выходящих вслед за
стримером из разрядного канала и ускоренных приповерхностным электрическим
полем.
При функционировании КА в РПЗ электрические пробои и эмиссионные процес-
сы в диэлектрических материалах, облучаемых электронами с энергиями -1-10 МэВ,
могут быть одной из причин возникновения радиационных аномалий [47-49]. Опас-
ность таких процессов возрастает для систем бортовой криоэлектроники, поскольку
эффективность удержания внедренного заряда в диэлектрике при криогенной темпе-
ратуре выше, чем при комнатной [50].
336 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.10.4. Численное моделирование процессов объемной электризации
диэлектриков при облучении электронами
1.10.4.1. Методика моделирования динамики объемной электризации диэлектриков
методом Монте-Карло
Для компьютерного моделирования накопления объемного заряда в диэлектриках
при облучении их электронами с энергиями в интервале 0,1-10,0 МэВ в НИИЯФ
МГУ был использован программный комплекс GEANT [51], основанный на методе
Монте-Карло для статистического описания процессов переноса частиц и излучений
в сложных гетерогенных структурах.
Совокупность физических моделей и баз данных, используемых в программе
GEANT, позволяет рассматривать взаимодействие с веществом элементарных частиц
в диапазоне энергий, практически важном для задач воздействия космической радиа-
ции на КА. Среды, с которыми взаимодействуют первичные и вторичные частицы,
могут быть простыми веществами с атомными номерами Z= 1-100 или сложными
материалами, описываемыми как смесь атомов. Программа GEANT обладает развитой
системой описания и представления геометрии гетерогенных трехмерных объектов.
Для моделирования процесса внутреннего заряжения диэлектриков под действием
электронов и протонов высоких энергий с помощью метода Монте-Карло использу-
ется приближение так называемых «крупных частиц», когда каждой начальной
«крупной частице» с заданными энергетическими и угловыми характеристиками со-
ответствует падающий на объект за время А/ поток частиц АУ. При описании прохо-
ждения заряженных частиц через вещество учитываются непрерывные потери энер-
гии на ионизацию и дискретные процессы с образованием вторичных электронов и
фотонов, среди которых доминирующую роль играет выбивание из атомов
8-электронов с энергиями выше 10 кэВ. Плотность внутреннего заряда в диэлектрике
р(г) определяется суммой распределений остановившихся термализованных элек-
тронов и положительных дырочных состояний, образовавшихся при ионизации ато-
мов вещества.
При этом чрезвычайно важно было учесть эффект влияния электрического поля
Е(г), так как это электрическое поле определяет торможение и распределение по глу-
бине инжектированного в диэлектрик заряда, а также выбиваемых из атомов
8-электронов. Для учета этого эффекта в НИИЯФ МГУ была проведена модификация
программы GEANT и добавлена процедура, описывающая движение заряженных
частиц в электрическом поле.
После моделирования каждого события (падения крупной частицы на мишень) и
отслеживания каскада прохождения первичной и вторичных частиц в мишени вы-
числяется приращение функции распределения объемного заряда Ар(г). Исходя из
нового распределения объемного заряда р(г) далее рассчитываются новые величины
напряженности электрического поля Е(г) и потенциала Цг), которые используются
при моделировании следующего события. Таким образом, применяя многократный
розыгрыш событий, проводится расчет динамики процесса внутреннего заряжения с
одновременным вычислением самосогласованного электрического поля и учетом его
влияния на прохождение заряженных первичных и вторичных частиц в веществе. Так
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КА
337
как процесс накопления внутреннего заряда носит асимптотический по времени ха-
рактер, для достижения необходимой точности при проведении расчетов проводится
коррекция величин временного шага Д/ и потока частиц AV.
Наряду с указанными выше распределениями электрических полей и объемного
заряда, рассчитываются также угловые и энергетические распределения прошедших
и отраженных от мишени первичных и вторичных частиц.
Данная методика позволяет задавать в качестве исходных произвольные энерге-
тические и угловые распределения падающих на мишень частиц, что дает возмож-
ность моделировать как условия лабораторных экспериментов на ускорителях с на-
правленными моноэнергетическими пучками частиц, так и реальные характеристики
воздействующих на КА электронов РПЗ.
1.10.4.2. Результаты расчетов
На основе представленной процедуры было выполнено компьютерное моделиро-
вание накопления внутреннего заряда для случаев моноэнергетического пучка элек-
тронов и электронов с характерным для РПЗ энергетическим спектром [52]. В каче-
стве образца использовалось стекло толщиной 0,5 см. При моделировании лабора-
торных условий на ускорителе энергия нормально падающего на образец пучка
задавалась в диапазоне 1-10 МэВ. Энергетический спектр электронов РПЗ, падаю-
щих изотропно на образец, описывался экспоненциальным распределением со сред-
ней энергией 0,5 МэВ, подобным моделям «наихудшего случая» для описания внут-
реннего заряжения [4, 53]. На рис. 1.10.21 показаны результаты расчета распределе-
ния числа остановившихся электронов по глубине h диэлектрического образца при
различных условиях облучения. На рис. 1.10.21а показаны результаты вычислений
для пучка электронов с энергией 2 МэВ, а на рис. 1.10.216 результаты подобных вы-
числений для изотропного потока электронов РПЗ, выполненных без учета влияния
внутреннего электрического поля объемного заряда. Сравнение рис. 1.10.21а и
1.10.216 показывает, что распределение остановившихся электронов в этих двух слу-
чаях носит различный характер - для моноэнергетического пучка максимум распре-
деления числа остановившихся электронов лежит на глубине —0,12 см (т. е. на глуби-
не пробега электронов такой энергии без учета внутреннего электрического поля), в
то время как для электронов РПЗ максимум этого распределения смещен к поверхно-
сти образца на глубину менее 0,1 см. Это различие обусловлено двумя причинами:
наличием в спектре РПЗ достаточно большого числа частиц, имеющих низкие энер-
гии и, соответственно, малые длины пробегов, и значительной долей частиц с малы-
ми углами падения в изотропном распределении.
На рис. 1.10.21b и рис. 1.10.21г показаны результаты аналогичных расчетов с
учетом самосогласованного электрического поля внедренного заряда. Для удоб-
ства представления шкалы глубины на этих рисунках отличается от шкалы на
рис. 1.10.21а и 1.10.216.
Из сравнения рис. 1.10.21а и рис. 1.10.21 в видно, что учет электрического поля в
случае моноэнергетического пучка электронов приводит к образованию дополни-
тельного заряда на малых глубинах (<0,01 см), обусловленного торможением па-
дающих частиц и переносом вторичных электронов к поверхности образца. Результа-
338
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
ты подобных вычислений, выполненных для электронов РПЗ с распределенным
энергетическим спектром и изотропным угловым распределением (рис. 1.10.21г),
показывают, что в этом случае почти весь заряд концентрируется в тонком слое
h < 0,005 см на облучаемой поверхности образца.
Сравнение распределений напряженности электрического поля в лабораторных
условиях (рис. 1.10.22а) и для электронов РПЗ (рис. 1.10.226), рассчитанных с учетом
внутреннего поля объемного заряда, показывает, что они близки друг к другу как по
форме, так и по величине. Значительное различие этих распределений наблюдается
при глубинах менее 0,01 см, где напряженность поля для спектра электронов РПЗ в
Число частиц
100
80
60
40
20
0
0 0,04 0,08 0,12 0,16 Л, см
в
Рис. 1.10.21. Распределение числа остановившихся электронов в зависимости от глубины
образца Л: а, в - для моноэнергетического пучка электронов с энергий 2 МэВ
при нормальном угле падения без учета (а) и с учетом (в) внутреннего электрического поля
объемного заряда; б, г - для электронов РПЗ с изотропным угловым распределением
без учета (б) и с учетом (г) внутреннего электрического поля объемного заряда
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КА
339
Рис. 1.10.22. Распределение электрического поля по глубине образца с учетом влияния
внутреннего электрического поля объемного заряда на движение первичных и вторичных
частиц: а - для моноэнергетического пучка электронов с энергий 2 МэВ при нормальном
угле падения; б - для электронов РПЗ с изотропным угловым распределением
два раза превышает напряженность поля для монохроматического пучка электронов
с энергией 2 МэВ.
Энергетические распределения обратно рассеянных электронов (рис. 1.10.23) ока-
зываются весьма чувствительными как к виду спектров падающих на образец частиц,
так и к влиянию внутреннего электрического поля объемного заряда. Введение элект-
рического поля в случае монохроматического пучка электронов резко (более чем на
порядок) увеличивает число обратно рассеянных электронов и приводит к смещению
максимума распределения в сторону больших энергий на величину, примерно соот-
Рис. 1.10.23. Энерго-угловое распределение обратно рассеянных электронов:
а - для моноэнергетического пучка электронов с энергией 2 МэВ при нормальном угле
падения; б - для электронов РПЗ с изотропным угловым распределением
340
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
ветствующую потенциалу внутреннего поля объемного заряда. Для электронов РПЗ
вид энергетических спектров (положение максимума и ширина спектра) обратно рас-
сеянных электронов слабо меняется при вариации объемного заряда - при увеличе-
нии внутреннего электрического поля растет лишь коэффициент обратного рассея-
ния. Отметим, что из-за ускорения вторичных электронов во внутреннем электриче-
ском поле распределение частиц по углам в обоих случаях становится более узким
при учете объемного заряда.
Таким образом, характеристики возникающего объемного заряда значительно от-
личаются в случае лабораторных имитационных экспериментов на ускорителях и в
натурных условиях электризации КА в РПЗ. Указанные отличия позволяют объяс-
нить возникновение объемных электрических разрядов в диэлектриках в космиче-
ских условиях при значительно меньших величинах флюенсов электронов по сравне-
нию с условиями проведения лабораторных экспериментов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акишин А.И. Радиационные аномалии в космическом оборудовании, вызванные электроразрядными
явлениями в облученных диэлектриках. В кн.: Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопе-
дия. т. 17. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Под
ред. Новикова Л.С., Панасюка М.И. М.: ЭНЦИТЕХ, 2000, с. 5-60.
2. Акишин А.И. Методы радиационных испытаний космических материалов. Учебное пособие. М.: Изд-во
МГУ, 2005, 143 с.
3. Frederickson A.R., Holeman E.G., Mullen E.G. Characteristics of spontaneous electrical discharging of vari-
ous insulators in space radiations. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1992, v. 39, No. 6, pp. 1773-1982.
4. Avoiding problems caused by spacecraft on-orbit internal charging effects. NASA Technical Handbook,
HDBK-4002, 1999, 45 p.
5. Wrenn G.L., Smith R.J.K. The ESD threat to GEO satellites: empirical models for observed effects due to
both surface and internal charging. Proc. ESA Symp. «Environment Modeling for Space-based Applications»,
ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 1996 (ESA-SP-392), pp. 121-124.
6. Калашников Н.П., Ремизович B.C., Рязанцев М.И. Столкновение быстрых заряженных частиц в твер-
дых телах. М.: Атомиздат, 1980, 272 с.
7. Weber К.Н. Nucl. Inst. Meth., 1964, v. 25, p. 261.
8. Fowler J.F. X-ray induced conductivity in insulating materials. Proc. Royal Soc., 1956, v. A 236, p. 464.
9. Adamec V., Calderwood J.H. Electrical conduction and polarisation phenomena in polymeric dielectrics at
high fields. J. Phys. D: Appl. Phys., 1975, v. 8, pp. 551-560.
10. Громов В.В. Электрический заряд в облученных материалах. М.: Энергоиздат, 1982, 112 с.
11. Rodgers D.J., Ryden К.А., Latham Р.М., Levy L., Panabiere G. Engineering tools for internal charging. Final
Report. DERA/ClS(CIS2)/7/36/2/4/FlNAL, 1999.
12. Rodgers D.J., Ryden K.A., Latham P.M., Sorensen J. An engineering tool for the prediction of internal dielec-
tric charging. Proc. 6th Spacecraft Charging technology Conference, Hansom AFB, 1998.
13. Soubeyran A., Floberhagen R. ESADDC 1.1 User Manual. Matra-Marconi Space, 1994.
14. Trenkel C. Comparison of GEANT 3.15 and ITS 3.0 radiation transport codes. ESA working paper, EWP
1747,1993.
15. Wrenn G.L. Conclusive evidence for internal dielectric charging anomalies on geosynchronous communica-
tions spacecraft. J. Spacecraft & Rockets, 1995, v. 32, No. 3, pp. 514-520.
16. Акишин А.И., Новиков Л.С. Электризация космических аппаратов. М.: Знание, сер. Космонавтика,
астрономия, 1985, № 6, 73 с.
17. Тютнев А.П., Ванников А.В., Мингалеев Г.С., Саенко В.С. Электрические явления при облучении по-
лимеров. М.: Энергоатомиздат, 1985, 176 с.
18. Громов В.В. Радиационно-электрические процессы в твердых диэлектрических материалах при воз-
действии ионизирующего излучения. Итоги науки и техники, сер. Хиг/, тв. тела, 1990, т. 1.
ГЛАВА 1.10
ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КА
341
19. Боев С.Г., Ушаков В.Д. Радиационное накопление заряда в твердых диэлектриках и методы его диаг-
ностики. М.: Энергоиздат, 1991, 238 с.
20. Romero М., Levy L. Internal charging and secondary effects. The behavior of systems in the space environ-
ment. 1993, pp. 565-580.
21. Вершинин Ю.Н. Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых
диэлектриков. Екатеринбург: УрО РАН, 2000, 258 с.
22. Akishin A.I. (Ed.). Effects of space condition on materials. Nova Science Publishers, NY, 2001, 199 p.
23. Акишин А.И., Витошкин Э.А., Цепляев Л.И. Концентрация энергии при электрическом пробое радиа-
ционно-заряженного шара из полиметилметакрилата. ФХОМ, 2004, № 6, с. 31-36.
24. Акишин А.И., Цепляев Л.И. О краевом эффекте в радиационно-заряженных диэлектрических материа-
лах. ФХОМ, 1997, № 1, с. 33-35.
25. Кухта В.Р., Лопатин В.В., Носков М.Д. Применение фрактальной модели к описанию развития разряда
в конденсированных диэлектриках. ЖТФ, 1995, т. 65, вып. 2, с. 63-75.
26. Dissado L.A. Understanding electrical trees in solids: From experiment to theory. IEEE Trans, on Dielectr.
and Electric. Insul., 2002, v. 9, No 4, pp. 483-497.
27. Noskov M.D., Malinovski A.S., Sack M., Schwab A.I. Self-consistent modelling of electrical tree propagation
and PD activity. IEEE Trans, on Dielectr. Electric. Insul., 2000, v. 7, No 6, pp. 725-733.
28. Tanaka T. Space Charge injected via interfaces and tree insulation in polymers. IEEE Trans, on Dielectr.
Electric. Insul., 2001, v. 8, No. 5, pp. 733-743.
29. Электреты. Под ред. Сесслера Г.М. М.: Мир, 1983, 486 с.
30. Акишин А.И., Тютрин Ю.И. Электрический пробой радиационно-заряженных стекол определяется
ступенчатым механизмом прорастания разрядных каналов. ФХОМ, 2000, № 1, с. 44-46.
31. Акишин А.И. Фрактальный характер явлений при электрическом пробое радиационно-заряженных
диэлектриков. ФХОМ, 1997, № 3, с. 17-21.
32. Фракталы в прикладной физике. Под ред. Дубиновой А.Е. Арзамас-16, 1995, с. 161-167.
33. Kudo К. Fractal analysis of electrical trees. IEEE Trans, on Dielectr. and Electric. Insul., 1998, v. 5, No 5,
pp. 713-727.
34. Акишин А.И., Кирюхин В.П., Новиков Л.С., Тютрин Ю.И. А. с. № 1335126 от 01.05.1987. Диэлектри-
ческий высоковольтный изолятор.
35. Акишин А.И., Радченко В.В., Тютрин Ю.И., Чириков В.Е. Механизм инициированного пробоя и раз-
рушения радиационно-заряженных стекол при лазерном воздействии. ФХОМ, 1989, № 1, с. 44-50.
36. Акишин А.И., Тютрин Ю.И. Инициирование лазером релаксации протонного и электронного зарядов в
облученном диэлектрике. ФХОМ, 1992, № 5, с. 56-57.
37. Акишин А.И., Витошкин Э.А., Тютрин Ю.И., Цепляев Л.И. Электроразрядное разрушение диэлектри-
ков протонным излучением. ФХОМ, 1994, № 3, с. 32-34.
38. Akishin A.I., Tsepliaev L.I. Destruction and discharge phenomena in the irradiated glasses. J. Nucl. Mater.,
1996, v. 233-236, pp. 1318-1320.
39. Акишин А.И., Витошкин Э.А., Захаров Н.И., Цепляев Л.И. Об электроразрядном механизме разруше-
ния твердых диэлектриков протонным излучением. ФХОМ, 1996, № 3, с. 36-39.
40. Акишин А.И., Витошкин Э.А., Цепляев Л.И. Электрический взрыв в облученном протонами стекле.
ФХОМ, 2002, № 6, с. 46-49.
41. Солнцев С.С., Морозов Е.М. Разрушение стекла. М.: Машиностроение, 1978, 152 с.
42. Akishin A.I., Goncharov Yu.S., Novikov L.S., Tyutrin Yu.L, Tsepliaev L.I. Discharge phenomena in electron
irradiated glasses. Radiat. Phys. Chem., 1984, v. 23, No. 3, pp. 319-324.
43. Акишин А.И., Витошкин Э.А., Громов В.В., Розно А.Г., Цепляев Л.И. О релаксации внедренного объ-
емного заряда в оптических стеклах, облученных протонами с энергией 100 МэВ. ФХОМ, 1998, № 6,
с. 24-27.
44. Акишин А.И. Эмиссионные процессы при электрическом пробое радиационно-заряженных диэлект-
риков. ФХОМ, 1998, № 5, с. 27-30.
45. Haselton R.C., Churchill R.J., Yadlowski E.J. Measurements of particle emission from discharge sites in
Teflon irradiated by high energy electron beams. IEEE Trans, on Nucl. Sci., 1979, v. 26, pp. 5141-5145.
342 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
46. Leung Р., Plamp G. Characteristics of RF resulting from dielectric discharges. IEEE Trans, on Nucl. Sci.,
1982, v. 29, pp. 1610-1614.
47. Олешко B.H., Штанько В.Ф. Эмиссия плотного электронного пучка из канала электрического пробоя в
твердом диэлектрике. ЖТФ, 1990, т. 60, вып. 2, с. 185-186.
48. Акишин А.И. Имитация и природа радиационных сбоев в оборудовании ИСЗ. ФХОМ, 2000, № 3,
с 24-31.
49. Акишин А.И. Механизм электроразрядных аномалий ИСЗ. Учебное пособие. М.: Изд. Отдел УНЦ ДО,
2002, 100 с.
50. Акишин А.И. Электроразрядный механизм радиационных аномалий ИСЗ. ФХОМ, 2002, № 4, с. 44-50.
51. Brun R. et al. GEANT User's Guide, 1993.
52. Батыгов M.C., Милеев В.Н., Новиков Л.С., Тасайкин В.Г. Компьютерное моделирование методом
Монте-Карло объемного заряжения диэлектриков. Космонавтика и ракетостроение, 2003, т. 1(30),
с. 162-167.
53. Wrenn G.L., Rodgers D.J., Buehler Р. Modeling the outer belt enhancements of MeV electrons. J. Spacecraft
and Rockets, 2000, v. 37, No 3, pp. 408-415.
ГЛАВА 1.11
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В ДИЭЛЕКТРИКАХ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОНАМИ
С ЭНЕРГИЯМИ ДО 100 кэВ
Ягушкин Н.И., Сергеев А.И., Гостищев Э.А.
ФГНУ «НИИ интроскопии»
ВВЕДЕНИЕ
Процессы накопления объемного заряда в диэлектриках, облучаемых электрона-
ми с энергиями в десятки килоэлектронвольт, в целом подобны процессам, проте-
кающим при облучении диэлектриков электронами с энергиями 1-10 МэВ. Основные
отличия определяются значениями глубины залегания объемного заряда и степенью
влияния вторично-эмиссионных процессов на его формирование. В первом случае
ток вторичной электронной эмиссии может являться существенной составляющей
полного тока, текущего через облучаемый электронами образец, во втором - его роль
пренебрежимо мала.
Уход вторично-эмиссионных электронов из тонкого приповерхностного слоя
(~10 нм) диэлектрика, облучаемого электронами с энергиями в десятки килоэлект-
ронвольт, эквивалентен образованию положительного заряда в этом слое, в то время
как на глубине пробега электронов (5-100 мкм) формируется отрицательный объем-
ный заряд. Таким образом, в диэлектрике образуется двойной слой зарядов противо-
положных знаков. Между слоями положительного и отрицательного зарядов на глу-
бине нескольких десятков микрометров индуцируется электрическое поле, напря-
женность которого может оказаться достаточной для протекания здесь пробойных
явлений [1-3], приводящих к повреждениям диэлектриков. Важно, что поглощаемая
344
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
при этом энергия меньше той, которая требуется для объемного нарушения свойств
диэлектриков за счет создания радиационных дефектов [4-6]. Такие модельные пред-
ставления были подтверждены как теоретическими расчетами [7, 8], так и прямым
экспериментом [9].
В настоящей главе приводятся результаты экспериментальных и теоретических
исследований радиационно-электрических процессов в диэлектриках, инициируемых
воздействием моноэнергетических пучков электронов с энергиями -10-100 кэВ.
1.11.1. Модельное описание процессов радиационной электризации
и электрических пробоев в диэлектриках
1.11.1.1. Процессы инжекции и генерации свободных носителей
При облучении электронами в диэлектрических материалах образование объем-
ного заряда происходит вследствие двух процессов: термализации первичных элек-
тронов и генерации носителей обоих знаков за счет ионизации атомов вещества. На
рис. 1.11.1 приведены характеристики этих процессов для диэлектрика с двусторон-
ней металлизацией. Первый процесс характеризуется объемной скоростью инжек-
ции g(x) (кривая 1 на рис. 1.11.1). Вследствие статистического характера процесса
потерь энергии первичным электроном его термализация может произойти на лю-
бой глубине внутри слоя диэлектрика от облучаемой поверхности х = 0 до плоско-
сти максимального пробега х = R.
Второй процесс характеризуется объемной скоростью генерации носителей
К(х) = D(x) / со, где D(x} - энергия, поглощенная в единице объема образца на глубине
х, со - энергия, затрачиваемая на образование одной пары носителей. Функция К(х)
также изображена на рис. 1.11.1 (кривая 2). Эффект генерации носителей первичным
электроном лежит в основе явления радиационной электропроводности [10].
Мерой, характеризующей соотношение между рассмотренными процессами, мо-
Рис. 1.11. 1. Распределение скоростей
инжекции g(x) (1) и генерации носителей
К(х) (2) по глубине диэлектрика
жет служить величина [4] у(х) = g(x)/K(x).
Порядок величины у с точностью до коэф-
фициента обратного рассеяния электронов
и потерь энергии на тормозное излучение
может быть оценен как у « со/Ге< 1, где
Те - энергия инжектируемых электронов. В
работах [3, 4, 11, 12] показано, что скорость
инжекции заряда в диэлектрик определяет
максимальную величину объемного заряда
и время его накопления. В зависимости от
соотношения концентраций отрицатель-
ных (и) и положительных (р) носителей в
диэлектрике различают режимы заряжения
диэлектриков, обсуждаемые ниже.
При облучении диэлектриков с откры-
той облучаемой поверхностью большое
ГЛАВА 1.11
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ...
345
Рис. 1.11.2. Распределение по глубине
диэлектрика скоростей инжекции
отрицательных gn и положительных gp
носителей
Однако при плотности тока пучка
влияние на процессы формирования объем-
ного заряда оказывает выход электронов с
открытой поверхности в окружающее про-
странство. Вторично-эмиссионные токи
играют важную роль в процессах электри-
зации космических аппаратов (КА) [13].
При рассмотрении роли эмиссионных то-
ков в формировании объемного заряда
нужно учитывать влияние электрического
поля, возникающего в диэлектрике, на
процесс эмиссии [14, 15]. Лабораторные
исследования показали, что при малых
плотностях тока первичных электронов
(/„ < 10"11 А-см"2) эмиссионный ток полно-
стью определяется выходом из диэлектри-
ка не успевших термализоваться вторич-
ных электронов, т. е. вторичной электрон-
ной эмиссией, и постоянен во времени
jn = 10"10-10"9 А-см"2 эмиссионный ток в диэлектриках нарастает во времени после
начала облучения. Глубина выхода электронов эмиссии в диэлектриках составляет,
как уже указывалось, около 10 нм [16]. Поэтому мощность источника избыточных
дырок в слое выхода эмиссии намного превышает мощность источника избыточ-
ных электронов. Это приводит к тому, что в приповерхностном слое накапливается
положительный заряд, а в области пробега первичных электронов - отрицательный.
Качественно этот процесс иллюстрируется рис. 1.11.2. Электрическое поле, возни-
кающее в двойном слое, будет способствовать движению электронов к поверхности
диэлектрика, что и приводит к увеличению тока эмиссии.
Большое влияние на электризацию диэлектриков с открытой поверхностью ока-
зывает освещение [17]. Облучение диэлектриков световым потоком с длиной волны
X < 0,2 мкм (область вакуумного ультрафиолета) приводит к интенсивной фотогене-
рации пар носителей в приповерхностном слое толщиной в несколько десятков на-
нометров и появлению значительного тока фотоэлектронной эмиссии, который также
играет большую роль в процессах электризации КА [13]. Поглощение света с длина-
ми волн X > 0,2 мкм в прозрачных диэлектриках происходит практически равномерно
по всему объему, что влияет на процессы переноса заряда в диэлектриках за счет по-
явления фотостимулированной проводимости.
1.11.1.2. Система уравнений
Установившееся состояние при облучении диэлектрика является результатом ди-
намического равновесия между процессом инжекции заряда в диэлектрик и процес-
сами стекания заряда из объема.
Метод расчета стационарных характеристик электризации диэлектрика подробно
изложен в работе [3] и основан на решении системы уравнений, описывающей ин-
жекцию и дрейф носителей заряда:
346
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
J(x) = ецп(х)Е(х);
и,(х) =
sin(7l/^)
(1.11.1)
ВД = аф)д(х);
dx £
где Е(х) - напряженность внутреннего электрического поля; п(х), nt(x) и pt(x) - кон-
центрации свободных электронов, захваченных электронов и дырок.
В качестве параметров используются величины: ц - подвижность электронов; е -
заряд электрона; £ - диэлектрическая проницаемость образца; а - коэффициент ре-
комбинации свободных электронов с захваченными дырками; Nt - полная концентра-
ция ловушек; Nc - концентрация состояний у дна зоны проводимости; Tt - параметр
экспоненциального распределения ловушек по энергии, Т - абсолютная температура,
£ = Tt/T.
Следует отметить, что данный метод расчета характеристик электризации позво-
ляет с единых позиций рассматривать все возможные ситуации [4]: когда концентра-
ция электронов примерно равна концентрации дырок nt« pt (режим инжектированной
плазмы), когда электронов значительно больше nt^>pt (режим тока, ограниченного
объемным зарядом), а также промежуточный случай, когда nt и pt различны, но оста-
ются величинами одного порядка. В частности, поскольку в необлучаемой области
радиационная электропроводность равна нулю, перенос электронов через нее в ре-
жиме тока, ограниченного объемным зарядом, определяет стационарное состояние
зарядки. Это позволяет получить распределения напряженности электрического поля
Е(х) и объемного заряда р(х) как в области пробега электронов, так и в необлучаемой
области диэлектрика.
В модельных расчетах и экспериментах исследуются два случая заряжения ди-
электриков: слой диэлектрика на заземленной металлической подложке с открытой
облучаемой поверхностью и с нанесенным на облучаемую поверхность тонким ме-
таллическим электродом, соединенным с подложкой. Для диэлектрических материа-
лов с двусторонней металлизацией система уравнений (1.11.1) дополняется гранич-
ным условием:
d
jE(x)c/x = 0. (1.11.2)
О
Электризация диэлектриков с двусторонней металлизацией широко обсуждена в
работах [7, 10-12, 30, 31]. Здесь будем рассматривать электризацию диэлектриков с от-
крытой облучаемой поверхностью, как более важную в проблеме электризации КА.
При учете электронной эмиссии с открытой облучаемой поверхности диэлектрика ток
проводимости у(х) связан с плотность тока электронной эмиссии /э и скоростью ин-
жекции g(x) следующим соотношением, дополняющим систему уравнений (1.11.1):
J W = /э - е jg(x') dx'. (1.11.3)
о
ГЛАВА 1.11
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ...
347
1.11.1.3. Расчет характеристик электризации образцов диэлектрических материалов
Результаты расчетов характеристик электризации с помощью уравнений (1.11.1)
для стационарного состояния приведены на рис. 1.11.3-1.11.6. На рис. 1.11.3 показа-
но распределение по толщине образца стекла К-208 напряженности электрического
поля при разных значениях энергии электронов TQ: 1 - 20 кэВ, 2-40 кэВ, 3-60 кэВ,
4-80 кэВ, и плотности тока пучка jn = 2-Ю"9 А-см"2. Видно, что напряженность поля
положительна вблизи облучаемой поверхности, а по мере продвижения в глубь об-
разца она уменьшается и меняет знак в плоскости нулевого поля xq, определяемой
соотношением:
*0
j;=efg(x)4&. (1.11.4)
о
Абсолютная величина напряженнос-
ти поля на глубине пробега R намного
больше, чем вблизи открытой поверхно-
сти, она увеличивается по мере прибли-
жения к заземленной металлической под-
ложке.
На рис. 1.11.4 в увеличенном масшта-
бе показано распределение напряженно-
сти поля в области положительных зна-
чений, т. е. между облучаемой поверхно-
стью образца и плоскостью нулевого
поля xQ, для тех же условий облучения.
Здесь на оси абсцисс указаны абсолют-
ные значения расстояния от поверхности
образца.
Стационарное распределение плотно-
сти объемного заряда по толщине образца
при двух значениях энергии электронов
Те: 1 - 20 кэВ, 2-40 кэВ и плотности тока
пучка jn = 2-10”9 А-см"2 представлено на
рис. 1.11.5. Видно, что при увеличении
энергии электронов плотность объемного
заряда уменьшается.
Важной характеристикой электризации
диэлектриков является потенциал их от-
крытой поверхности [15, 32]. В большин-
стве случаев с измерением этого парамет-
ра имеют дело в процессе лабораторных и
натурных испытаний диэлектрических
материалов на электризуемость. Поэтому
чрезвычайно полезно иметь простую и
вместе с тем достаточно точную матема-
Рис. 1.11.3. Распределение напряженности
электрического поля по толщине стекла
К-208 в облучаемой области
Рис. 1.11.4. Распределение напряженности
электрического поля Е в области
положительных значений для образца К-208
348
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.11.5. Распределение плотности
объемного заряда в стекле К-208
Рис. 1.11.6. Распределение потенциала по
толщине образца стекла К-208
тическую модель, с помощью которой
можно по известным условиям облучения
рассчитывать величину стационарного по-
тенциала облучаемой поверхности диэлек-
трика. В случае диэлектриков с достаточно
большой толщиной d (R«d) электриче-
ское поле в облучаемой области вносит
малый по сравнению с полем в необлучае-
мой области вклад в потенциал поверх-
ности. Возможность пренебречь падением
потенциала на облучаемой области под-
тверждается результатами расчета распре-
деления потенциала по толщине диэлект-
рика <р(х), приведенными на рис. 1.11.6.
Расчет выполнен для образца стекла К-208
при энергиях электронов: 1 - 40 кэВ, 2 -
60 кэВ, 3-80 кэВ, и плотности тока пучка
;„ = 2-10'9А-см’2.
Вертикальные пунктирные линии
Т?4о,60, so на рисунке соответствуют пробе-
гам электронов с энергиями 40, 60, 80 кэВ.
Видно, что величины падения потенциала
на облучаемой области примерно на два
порядка меньше величины полного паде-
ния потенциала на образце.
С учетом сделанных замечаний может
быть получена сравнительно простая фор-
мула для расчета потенциала поверхности
диэлектрика ср^ в стационарном состоя-
нии [3,32,33]:
/4-1 -Г- -I-L 26И
4>s=^5/+iD;(1-^(7;'))],+'[^-to]z+i > о.п.5)
где В - константа, определяемая внутренними свойствами диэлектрика и его темпе-
ратурой;/- определенный выше параметр, характеризующий распределение лову-
шек по энергии (/= TJ Г). Коэффициент вторичной электронной эмиссии и пробег
электронов R являются функциями энергии первичных электронов Г/, которую они
имеют при падении на поверхность диэлектрика: Г/ = Те - е | 1.
Можно показать [3], что в области малых энергий первичных электронов формула
(1.11.5) значительно упрощается, и зависимость стационарного значения потенциала
поверхности от энергии электронов будет определяться линейной функцией:
ф,=--(т;-7;'кР).
е
(1.11.6)
где - энергия электронов, при которой « 1.
ГЛАВА 1.11
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ...
349
Отсюда можно сделать вывод, что в области малых энергий наблюдается линей-
ный рост (р5 в зависимости от Те. Кроме того, в этой области потенциал поверхности
не будет зависеть от плотности тока электронного пучка, толщины образца или тем-
пературы.
В области больших энергий первичных электронов коэффициент эмиссии зави-
сит от Те очень слабо. В то же время пробег электронов может стать сравнимым по
величине с толщиной образца. Поэтому форму зависимости (рХ^е) в этой области в
соответствии с (1.11.5) определяет функция /?(Ге + е(р5). Толщина необлучаемой
области (d- R) с ростом энергии электронов уменьшается, что приводит к умень-
шению (р$.
Чрезвычайно большое влияние на электризацию диэлектрических материалов
КА оказывает солнечное излучение [3, 17]. Наиболее сильно на формирование объ-
емного заряда в диэлектрике влияет свет видимого диапазона и ближний ультра-
фиолет.
Для теоретического описания процесса электризации диэлектрических мате-
риалов в присутствии освещения воспользуемся простой моделью, предложенной
Хельфрихом [34]. В рамках этой модели считается, что вероятность фотовозбуж-
дения носителя с ловушек одинакова для всех ловушек, энергия которых меньше
энергии фотона. При скачкообразном изменении условий облучения, т. е. измене-
нии значений плотности тока пучка jn\ и освещенности Ф1 на значения jw2 и Ф2, в
диэлектрике имеет место переходный процесс, в результате которого устанавли-
вается новое стационарное значение потенциала (р^, отличное от исходного (psi-
Решение задачи о переходном процессе дано в работах [3, 17].
Длительность переходного процесса конечна при jn2 0 и равна:
z xl/2
2£(б/-7?)
М'эффг./иг у
переходного процесса, начавшегося в мо-
в момент t = tn, изменяется согласно выра-
(1.11.7)
Потенциал поверхности во время
мент времени t = 0 и закончившегося
жению:
•2
3/2 (1.11.8)
7/72М'эфф2^а J
где параметр f равен:
у___ Jп\М'эфф2
./игИэфф!
Параметр f определяет направленность переходного процесса: при f > 1 идет
снижение потенциала, т. е. (р^ < <psi, а при f < 1 получаем (р^ > cpsi, т. е. потенциал
увеличивается.
350
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
1.11.1.4. Радиационно-электрический пробой диэлектриков
Радиационная электризация диэлектрических материалов при определенных ус-
ловиях приводит к протеканию радиационно-электрических пробоев. Для диэлектри-
ка с открытой поверхностью могут наблюдаться следующие типы пробоев: пробой в
облучаемой области диэлектрика (вблизи открытой поверхности) с выбросом заряда
в окружающее пространство и сквозной пробой на подложку.
Пробои первого типа более опасны с точки зрения воздействия пробоя на элект-
рические цепи и бортовую аппаратуру КА [35, 36], поскольку выброс заряда в вакуум
индуцирует мощные переходные токи в цепи того элемента поверхности КА, на ко-
тором расположен диэлектрик. При сквозном пробое происходит взаимная нейтрали-
зация отрицательного заряда, накопленного в диэлектрике, и равного ему по величи-
не индуцированного положительного заряда подложки. При этом переходные токи во
внешней цепи малы.
Выбрасываемая из диэлектриков плазма может частично осаждаться на поверх-
ности КА, что приводит к изменению ее свойств. В экспериментах наблюдалось об-
разование на поверхности диэлектрика радужной пленки, ухудшающей оптические
характеристики образца [26, 28].
Согласно современной теории электрического пробоя [37], основу этого явления
составляет зарождение и развитие в диэлектрике мощной электронной лавины. При
этом свободные электроны ускоряются в электрическом поле и приобретают энер-
гию, достаточную для совершения акта ионизации вещества. После этого вновь рож-
денный и потерявший свою кинетическую энергию первоначальный электрон снова
начинает ускоряться в электрическом поле и т. д. Таким образом, имеет место раз-
множение электронов и формирование электронной лавины. Составляющие лавину
свободные электроны, отдавая часть своей кинетической энергии в столкновениях с
атомной решеткой диэлектрика, разогревают ее и образуют плазменный пробойный
канал. Последующее за этим стекание заряда по высокопроводящему плазменному
каналу приводит к формированию пробойного токового импульса.
Для возникновения и развития электронной лавины требуется выполнение опре-
деленных условий [37]. Во-первых, наличие достаточно сильного электрического
поля для того, чтобы процесс ускорения электронов преобладал над процессом их
торможения при столкновениях с атомной решеткой. Во-вторых, толщина диэлект-
рического слоя должна быть больше некоторого критического значения (соглас-
но [37], порядка 1 мкм). Это необходимо для того, чтобы электронная лавина стала
достаточно мощной для образования канала пробоя. В-третьих, для начала лавинооб-
разного процесса размножения электронов требуется присутствие некоторого коли-
чества «затравочных» свободных электронов.
Рассмотрим более подробно третье условие возникновения пробоя. Обычно ши-
рокополосные диэлектрики содержат чрезвычайно мало свободных электронов. По-
этому в отсутствие ионизирующих излучений возможность пробоя в них связана с
формированием электрических полей с напряженностью порядка 108 В-м"1 и выше.
В присутствии ионизирующего излучения диэлектрик содержит свободные элек-
троны, причем в их числе всегда имеется некоторое количество не успевших до кон-
ца термализоваться «горячих» электронов. Расчеты распределения концентрации
ГЛАВА 1.11
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ...
351
свободных электронов по толщине стекла К-208, проведенные в работе [3], подтвер-
ждают данный вывод. Экспериментальные данные, полученные для некоторых типов
диэлектриков [38], показывают, что для «горячих» электронов интенсивность элек-
трон-фононного взаимодействия значительно ниже, чем для электронов вблизи дна
зоны проводимости. Это обстоятельство приводит к тому, что при наличии «горя-
чих» электронов возможно развитие электронных лавин при меньших величинах на-
пряженности поля. Таким образом, преимущественное возникновение пробоев в об-
лучаемой области диэлектрика связано с наличием в этой области свободных, в том
числе «горячих» электронов, создаваемых излучением. В то же время в необлучае-
мой области (там, где напряженность внутреннего электрического поля велика) мо-
гут находиться только свободные электроны, попавшие сюда за счет дрейфа из облу-
чаемой области. Эти электроны находятся в термодинамическом равновесии с атом-
ной решеткой диэлектрика, поэтому для их ускорения требуются более сильные
поля, чем те, которые реально создаются в этой области, что и объясняет отсутствие
сквозного пробоя в толстых диэлектриках.
Ускорение приповерхностным полем не успевших термализоваться электронов в
направлении к открытой поверхности (такая структура приповерхностного поля обу-
словлена наличием вторичной электронной эмиссии) приводит к выходу части из них
за пределы диэлектрика. Этот процесс дает дополнительный вклад в электронную
эмиссию, что, в свою очередь, индуцирует увеличение напряженности поля и в ко-
нечном итоге приводит к развитию в приповерхностном слое диэлектрика эмиссион-
но-полевой неустойчивости, т. е. к взаимообусловленному нарастанию эмиссионного
тока и напряженности приповерхностного поля. В тот момент, когда напряженность
поля достигает величины, достаточной для ускорения образовавшихся в акте иониза-
ции низкоэнергетических термализованных электронов, создаются условия для обра-
зования электронной лавины и последующего пробоя диэлектрика [37]. Таким обра-
зом, исходя из вышеприведенного анализа механизма пробоя, сопровождающегося
выбросом заряда, можно сказать, что одним из условий его развития является нали-
чие электронной эмиссии, способствующей росту электрического поля в приповерх-
ностной области диэлектрика.
Особая роль приповерхностного участка положительного поля в развитии пробоя
с выбросом заряда через облучаемую поверхность подчеркивалась рядом авторов
[1,2, 7-9]. Ватсон и Дау [39] обнаружили и дали теоретическое объяснение пробоям
с выбросом заряда в полимерных диэлектриках, облучаемых электронами с энергией
в несколько мегаэлектронвольт. Бэльмэйн [9] наблюдал фигуры Лихтенберга, явля-
ющиеся следствием такого рода пробоев, и нашел, что они представляют собой пло-
ские сети каналов, расположенные между глубиной пробега электронов и облучае-
мой поверхностью диэлектрика.
Согласно современным представлениям о физике пробоя [40, 41], распределение
импульсов по амплитуде разрядного тока 1Чимп(1м) описывается статистикой Вейбулла:
ALn Ш ZJ71 exp(-v/£), (1.11.9)
где Nq - нормировочный коэффициент; v и ц - экспериментально определяемые
параметры.
352
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Помеховый импульс вызовет сбой в электронном устройстве, входящем в состав
бортовой аппаратуры КА, если его амплитуда превышает некоторое пороговое зна-
чение /сб. В случае вейбулловского распределения импульсов по амплитуде формула,
описывающая вероятность сбоя Рсб, будет иметь вид:
Рсб(/сб) = ехр(-У^б). (1.11.10)
1.11.2. Экспериментальный стенд и методы измерений
Для лабораторных исследований радиационно-электрических явлений в диэлект-
риках в НИИ интроскопии Томского политехнического университета был создан
экспериментальный стенд «Прогноз», позволяющий моделировать процессы элект-
ризации материалов под воздействием электронов, ионов, плотной холодной плазмы
и солнечного излучения в вакууме при различных температурах [18]. Общий вид
стенда показан на рис. 1.11.7.
Экспериментальная камера из нержавеющей стали цилиндрической формы имеет
диаметр 0,7 м и высоту 0,8 м. Вакуум в камере ~1(Г6 Па достигается путем безмасля-
ной откачки магниторазрядными насосами. Двенадцать ячеек на вращающемся диске
позволяют установить 11 образцов испытываемого материала и монитор для контро-
ля параметров пучков частиц. Диск с образцами находится в контакте с прижимным
термостатом, который служит для термостатирования образца при любой заданной
температуре в диапазоне от -100° до +60°С. Охлаждение термостата осуществляется
путем подачи жидкого азота. Требуемая температура образца поддерживается систе-
мой термостабилизации с точностью до 2°С. Космическое излучение имитируется
посредством двух электронных и одной ионной пушек, характеристики которых при-
ведены в табл. 1.11.1.
Рис. 1.11.7. Общий вид экспериментального стенда «Прогноз»
ГЛАВА 1.11
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ...
353
Таблица. 1.11.1
Характеристики электронных и ионной пушек
Тип пушки Энергия, кэВ Плотность тока пучка, А-см 2 Максимальный диаметр пучка, см
Электронная пушка 1 5-100 10“"-КГ5 16
Электронная пушка 2 1-25 1(Г"-10-5 10
Ионная пушка 10-35 кг"-кг6 10
Источником солнечного излучения в области длин волн X > 0,2 мкм является ксе-
ноновая лампа высокого давления ДКсР-3000, имеющая спектр излучения, близкий к
солнечному. Оптический тракт позволяет получать освещенность поверхности образ-
ца до 1 Вт см-2. Для имитации спектра Солнца в области вакуумного УФ в качестве
источника излучения применена газоразрядная лампа с прокачиваемым водородом.
Ввод УФ-излучения в камеру осуществляется через окно из LiF. Пучки всех видов
излучения через патрубки на боковой поверхности камеры сведены на образец.
Имитация холодной космической плазмы осуществляется посредством плазмо-
трона, позволяющего получать в камере плазму со средней температурой электронов
~6 эВ и концентрацией до 103 см-3. Контроль плотности и состава плазмы осуществ-
ляется с помощью масс-спектрометра. Схема испытательного стенда «Прогноз» по-
казана на рис. 1.11.8.
Блок измерения
оптических
параметров
| Компьютер |
H2,N2,O2 f
Водяное
охлаждение
ii
Жидкий N2
Блок измерения
параметров
пробоев
Блок измерения
параметров
электризации
Рис. 1.11.8. Схема испытательного стенда «Прогноз»: 1 - вакуумная камера; 2 - вращающийся
диск с образцами; 3 - термостат; 4 - имитатор Солнца; 5,6- электронная и ионная пушка;
7 - сепаратор; 8 - плазмотрон; 9 - масс-спектрометр; 10 - монохроматор; 11 - фотоприемник;
12 - калиброванный источник света; 13 - фотометрическая камера; 14 - датчик внешнего поля;
15 - водяной фильтр; 16 - магнитные линзы; 17 - широкополосный зонд; 18 - коллектор ВЭЭ
354
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Процесс накопления заряда в диэлектрике и, соответственно, возникновения элек-
трического поля как внутри диэлектрика, так в окружающем пространстве является
сравнительно медленным с постоянной времени от нескольких секунд до нескольких
минут или часов [19]. Электрический пробой, являющийся процессом быстрой нейт-
рализации заряда, характеризуется постоянной времени от десятков до сотен наносе-
кунд. Внешнее электрическое поле (потенциал поверхности) при накоплении заряда
в диэлектрике может быть измерено датчиком напряженности электрического поля
[14], работающим на принципе электростатической индукции. Чувствительность
датчика такого типа, размещенного внутри вакуумной камеры, составляет по на-
пряженности поля 50 мВ-м-1, а по потенциалу 200 В. Датчик имеет высокое вход-
ное сопротивление, что исключает возможность его применения для измерения
быстропротекающих разрядных процессов.
Для измерения электромагнитных импульсов при пробое диэлектриков примене-
ны расположенные внутри камеры широкополосные активные зонды [20] с полосой
частот регистрируемых сигналов от 10 кГц до 10 МГц и чувствительностью 10 В-м-1.
При пробое диэлектрика разрядный ток во внешней цепи образца измерялся в виде
положительного импульса напряжения, снимаемого с изолированной от корпуса ме-
таллической подложки образца. Для измерения импульсов разрядного тока использо-
вался скоростной осциллограф, позволяющий регистрировать однократные процессы
наносекундной длительности.
Электрическое поле, созданное внутри диэлектрика объемным зарядом, контро-
лировалось с применением радиационных методов [21,22]. Напряженность электри-
ческого поля в диэлектрике определялась на основании измеренного относительного
изменения коэффициента обратного рассеяния электронов под действием поля
[23, 24]. Измерение коэффициентов вторичной электронной эмиссии производилось с
помощью полусферического коллектора [14].
Оптический тракт стенда позволяет измерять спектры пропускания стекол, что
обеспечивает возможность определения снижения прозрачности стекол в результате
возникновения электрических разрядов [25-27]. Стенд позволяет также проводить
испытания элементов солнечных батарей [28].
1.11.3. Результаты экспериментов
1.11.3.1. Измерение потенциала поверхности
На рис. 1.11.9 приведены полученные зависимости потенциала поверхности от
энергии электронов для трех случаев: 1 - стекло К-208, <7 = 170 мкм при плотности
тока пучка jn = 2-Ю"9 Асм"2; 2- К-208, d = 170 мкм, jn = 8-Ю"11 Асм"2; 3- фторо-
пласт Ф-4МБ, d= 110 мкм, jn = 2-10"9 Асм"2. Пунктирными кривыми на рис. 1.11.9
показаны зависимости (рХ^е), рассчитанные с учетом функции ^(Ге) для области ма-
лых энергий (Те < 20 кэВ) и для области больших энергий (Гс > 20 кэВ) в предполо-
жении, что £ = 0,25 для всех значений Тс. В области больших энергий коэффициент
эмиссии слабо зависит от Тс, поэтому форму зависимости (рХ^е), согласно (1.11.5),
определяет функция R(Te + еср5).
ГЛАВА 1.11
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ...
355
Рис. 1.11.9. Зависимость потенциала
поверхности ср$ от энергии электронов Тс
Таким образом, в области низких энер-
гий электронов с ростом TQ происходит уве-
личение потенциала поверхности ср5, что
обусловлено особенностями эмиссионного
механизма стекания заряда из диэлект-
рика [31]. В области же больших значений
энергии электронов рост Те приводит к
уменьшению потенциала поверхности, что
связано с доминирующей ролью дрей-
фового механизма стекания заряда инжек-
тированных электронов к заземленному
электроду. В промежуточной области
энергий на зависимости фХ^е) наблюдает-
ся максимум, указывающий на смену в
этой области доминирующего механизма
ограничения зарядки с эмиссионного на дрейфовый.
Экспериментальное исследование зарядки диэлектриков в условиях светового и
электронного облучения в целом показало, что облучение диэлектрика светом,
имитирующим солнечный, приводит к значительному снижению уровня его элект-
ризации и полному прекращению пробойных явлений, если диэлектрик является
достаточно прозрачным. На рис. 1.11.10 показаны типичные временные зависи-
мости эмиссионного тока и потенциала поверхности, измеренные при облучении
образцов стекла К-208.
После начала облучения диэлектрика
электронами в темноте эмиссионный ток уэ и
потенциал поверхности ф5 возрастали, стре-
мясь к насыщению. Возрастание эмиссион-
ного тока во времени здесь связано с накоп-
лением заряда в приповерхностном слое
диэлектрика [3]. В момент времени thv было
включено освещение, после чего величины
обоих измеряемых параметров начали умень-
шаться. При включении освещения наблюда-
ется небольшой скачок эмиссионного тока уэ
за счет фотостимулированной электронной
эмиссии. Через некоторое время после вклю-
чения освещения наступает стационарное
состояние зарядки, для которого характерны
существенно меньшие величины потенциала
поверхности и эмиссионного тока. Причиной
этого является фотостимулированное увели-
чение дрейфа инжектированных электронов
через объем диэлектрика к заземленной под-
ложке.
Рис. 1.11.10. Временные зависимости
эмиссионного тока уэ и потенциала
поверхности ср$ образца стекла К-208
при облучении электронами (е)
и при совместном облучении
электронами и светом (е + hv)
356
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.11.11. Кинетика изменения
потенциала поверхности ср$ при
различных освещенностях образца
Рис. 1.11.12. Изменение потенциала
поверхности К-208 (толщиной 170 мкм)
во время переходного процесса,
вызванного скачком освещенности
Данный вывод подтверждается экс-
периментами по измерению кинетики
уменьшения потенциала при освещении
предварительно заряженного образца, ре-
зультаты которых для некоторых материа-
лов показаны на рис. 1.11.11. Исследова-
лись образцы трех типов при разных
уровнях освещенности - К-208 <7 =
= 170 мкм: 1 - Ф = 0; 2 - 0,31; 3 - 0,55; 4 -
1,05 Вт-см"2; ПЭТФ <7= 50 мкм: 5 - Ф = 0,31;
6 - 0,55 Вт-см-2; Ф-4МБ <7= НО мкм: 7 -
Ф = 0,31 Вт-см-2. Видно, что при большей
величине освещенности заряд с образцов
стекает быстрее.
На рис. 1.11.12 приведены измеренные
зависимости потенциала поверхности ср$ от
времени (сплошные кривые) в сопостав-
лении с результатами расчетов по форму-
ле (1.11.8) (пунктирные кривые) во время
переходного процесса, вызванного скачко-
образным изменением освещенности об-
разца в момент времени t = 0. Здесь в слу-
чае 1 происходит увеличение освещен-
ности (Ф| = 0,1 Вт-см-2, Ф2 = 0,3 Вт-см~2), а
в случае 2 - ее снижение (Ф| = 1,4 Вт-см"2,
Ф2 = 0,3 Вт-см~2). В первом случае плотность
тока электронов равна jn\ = jn2 = 1 • 10-9 А-см~2
(/ = 4), а во втором - jn\ =jn2 = 4-10-9 А-см"2
«= 0,25).
Видно, что экспериментальные данные
хорошо согласуются с расчетными. Однако
из полученных зависимостей следует, что в
реальном случае потенциал поверхности продолжает медленно нарастать и после
момента времени /п, определяемого приведенной выше формулой (1.11.7). Это ука-
зывает на неполное фотоподавление дисперсии носителей заряда по временам осво-
бождения из ловушек.
1.11.3.2. Исследования электрических пробоев
На рис. 1.11.13 приведена фотография фигуры Лихтенберга (сети разрядных ка-
налов) в объеме образца стекла К-208, облучавшегося электронами с энергией
80 кэВ. Исследование подобных фигур под микроскопом показало, что они сосредо-
точены в основном в слое, прилегающем к открытой поверхности диэлектрика на
глубине пробега электронов.
ГЛАВА 1 11
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ...
357
Так, для электронов с энергией 80 и
20 кэВ глубина залегания каналов пробоя в
стекле К-208 составляет соответственно
50-55 и 4-6 мкм. При последующих пробоях
наблюдается прорастание канала в толщу
диэлектрика.
В экспериментах было выяснено, что про-
бои с выбросом заряда не наблюдаются, если
энергия падающих на диэлектрик электронов л , ,, , „
г Рис. 1.11.13. Следы электрических
меньше определенного для данного материа- разрядов
ла порогового значения [3]. Для ПЭТФ поро-
говая энергия равна 12 кэВ, для Ф-4МБ - 14 кэВ, а для стекла К-208 - 17 кэВ. Во всех
этих случаях пробег электронов был примерно равен 2,5 мкм. Отмеченная законо-
мерность служит подтверждением того, что в основе пробоев с выбросом заряда че-
рез облучаемую поверхность лежит электронно-лавинный механизм, и одновременно
является доказательством применимости одного из рассмотренных выше критериев
(R > 1 мкм) [37] обеспечения условий возникновения ударной ионизации при радиа-
ционно-электрическом пробое диэлектриков.
Выше отмечалось, что в приповерхностном слое облучаемого диэлектрика может
происходить развитие эмиссионно-полевой неустойчивости. В некоторых режимах
облучения нарастание эмиссионного тока перед пробоем происходит достаточно
медленно и наблюдается экспериментально. На рис. 1.11.14 показаны полученные
экспериментально зависимости эмиссионного тока от времени для трех режимов об-
лучения образца боросиликатного стекла: 1- 1О-10 А-см-2; 2- jn = 5-10-10 А-см-2;
3- jn = 2-10-9 А-см-2. Эмиссионно-полевая неустойчивость, при которой акту пробоя
предшествует множество мелких импульсов эмиссионного тока (кривая 3), наблюда-
ется при достаточно высокой плотности пучка первичных электронов. Согласно [37],
причиной появления предпробойных импульсов могут служить мелкие электронные
Рис. 1.11.14. Изменение эмиссионного
тока в период, предшествующий
пробою стекла К-208
лавины, энергия которых еще не достаточна
для образования в структуре диэлектрика
плазменного пробойного канала.
Сопоставление экспериментальных дан-
ных с приведенными выше результатами
расчетов (рис. 1.11.3, 1.11.4) показывает,
что для указанных условий облучения ра-
диационно-электрический пробой возмо-
жен при Е ~ 104-105 В-см-1. Такое умень-
шение пробойной напряженности элект-
рического поля является следствием
эмиссионно-полевой неустойчивости в ди-
электриках с открытой поверхностью и
наличием «горячих» электронов, создавае-
мых излучением.
358
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Экспериментальные исследования пробоев диэлектриков позволили установить
зависимости средней амплитуды и длительности разрядного токового импульса от
энергии моноэнергетического электронного пучка. Было также выяснено, что как
амплитуда, так и длительность импульса практически не зависят от плотности тока
пучка. Учет процесса стекания заряда из объема диэлектрика позволил установить
простую формулу, описывающую зависимость длительности пробойного токового
импульса от энергии электронов [3]:
у/«+1)
t = G-------------1
1 ( ^cp(TL)
(1.11.11)
где G - коэффициент пропорционально-
сти, не зависящий от энергии электро-
нов; 7?Ср(7е) - функция, описывающая
зависимость среднего пробега электро-
нов от их энергии Те.
На рис. 1.11.15 показаны зависимости
средней амплитуды (1) и длительности
(2) пробойного токового импульса от
энергии падающих электронов для об-
разца Ф-4МБ толщиной НО мкм и пло-
щадью 13 см2. Пунктирной линией пока-
зана зависимость т от Те, рассчитанная
по формуле (1.11.11).
Можно отмстить, что малым энер-
гиям электронов соответствуют более
опасные помеховые импульсы с малой
длительностью и большей амплитудой.
Рис. 1.11.15. Зависимость средней амплитуды
1т и длительности т пробойного токового
импульса от энергии падающих электронов Тс
В то же время частота следования разрядных импульсов возрастает при увеличении
энергии электронов, как это видно из рис. 1.11.16, на котором соответствующие зави-
Рис. 1.11.16. Зависимость частоты
следования пробойных импульсов
от энергии электронов Тс
симости приведены для образцов Ф-4МБ
(1) и стекла К-208 (2) при плотности тока
пучка jn = 1,2-10-8 А-см"2.
В экспериментах также было обнаруже-
но, что частота следования пробоев возрас-
тает пропорционально плотности тока пуч-
ка. Это обстоятельство можно использовать
для постановки ресурсных испытаний ди-
электрических материалов, учитывающих
деградацию оптических свойств за счет об-
разования пробойных каналов, так как уве-
личение плотности тока пучка по сравнению
с величиной, соответствующей натурным
условиям, практически не влияет на пара-
метры отдельного токового импульса.
ГЛАВА 1.11
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ...
359
На рис. 1.11.17 показаны измеренные
распределения разрядных импульсов по
амплитуде при облучении стекла К-208
пучком электронов с плотностью тока
1,6-10-8 Асм"2: 1 - Те = 40кэВ, облучается
вся поверхность образца; 2 - Те = 40 кэВ,
края образца не облучаются; 3 - Те = 20 кэВ,
края образца не облучаются.
Из сравнения кривых 2 и 3 видно, что
при уменьшении энергии электронов ам-
плитудный спектр сдвигается в сторону
больших величин разрядного тока. В слу-
чае облучения краев образца (кривая 1)
появляется большое количество импульсов
с малой амплитудой, которые образуют
первый максимум на этой кривой. Этот
Рис. 1.11.17. Распределение числа
пробойных токовых импульсов по
амплитуде для образца стекла К-208
максимум - результат пробоев на периферии образца, где напряженность поля за
счет краевых эффектов увеличена. Второй максимум соответствует пробоям на
основной площади образца.
Из представленных результатов исследований следует, что зависимость потен-
циала открытой поверхности от энергии электронов представляет собой кривую с
максимумом, т. е. имеет как восходящую (при малых Те), так и нисходящую (при
больших Те) ветви. Увеличение энергии электронов приводит к увеличению напря-
женности поля вблизи облучаемой поверхности диэлектрика и уменьшению здесь
плотности объемного заряда, что сказывается на характере протекания пробоев. При
низких энергиях электронов пробои имеют максимальную амплитуду токового им-
пульса, а при высоких - наибольшую частоту следования импульсов.
Исследования пробоев с выбросом заряда через облучаемую поверхность позво-
лили установить их непосредственную связь с электронной эмиссией и выяснить, что
их причиной является развитие в приповерхностном слое диэлектрика эмиссионно-
полевой неустойчивости. В то же время из результатов расчета видно, что величины
потенциала открытой поверхности диэлектрика не коррелируют с величинами на-
пряженности электрического поля.
Влияние светового излучения на объемную электризацию прозрачных диэлект-
риков проявляется за счет фотостимулированного увеличения дрейфа заряда через
объем диэлектрика к заземленной подложке. Отсюда следует, что наибольшее вли-
яние на объемный заряд оказывает свет видимого диапазона и ближний УФ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Meulenberg A. Progr. Astronaut. Aeronaut., 1976, v. 47, pp. 237-246.
2. Frederickson A.R. IEEE Trans. Elec. Ins., 1983, v. El-18, № 3, pp. 337-349.
3. Ягушкин Н.И., Графодатский О.С., Исляев Ш.Н., Сергеев А.И., Смекалин Л.Ф. В кн.: Исследования по
геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 86. М.: Наука, 1989, с. 131-168.
4. Евдокимов О.Б. В сб.: Радиационная стойкость органических материалов. М.: НИИТЭхим, 1979, 22 с.
360
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
5. Акишин А.И., Прокопьев П.П., Тюрин Ю.И., Цепляев Л.И., Черняк Ю.С. Изв. Вузов. Физика, 1974, №11,
с. 99-104.
6. Евдокимов О.Б., Ягушкин Н.И. Физика твердого тела, 1974, т. 16, с. 564-566.
7. Beers B.L., Pine V.U., Ives S.T. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1981, v. NS-28, No 6, pp. 4529-4534.
8. Frederickson A.R., Woolf S. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1982, v. NS-29, No 6, pp. 2004-2011.
9. Balmain K.G. Progr. Astronaut. Aeronaut., 1979, v. 71, pp. 276-298.
10. Тютнев А.П., Ванников A.B., Мингалеев T.C., Саенко В.С. Электрические явления при облучении по-
лимеров. М.: Энергоатомиздат, 1985, 176 с.
11. Oliveira L.N., Gross В.J. Appl. Phys., 1975, v. 46, No 7, pp. 3132-3138.
12. Смекалин Л.Ф., Ягушкин Н.И. Изв. Вузов. Физика, 1986, № 1, с. 14-18.
13. Милеев В.Н., Новиков Л.С. В кн.: Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 86.
М.: Наука, 1989, с. 64-98.
14. Гусельников В.И., Ивановский С.А., Ягушкин Н.И. Ж. техн, физики, 1986, т. 56, вып. 9, с. 1816-1818.
15. Yagushkin N.I., Ivanovsky S.A., Sapozhkov Y.I., Smekalin L.F. Proc. 5th Int. Symp. Electrets, Heidelberg,
1985, pp. 616-622.
16. Бронштейн И.М., Фрайман Б.С. Вторичная электронная эмиссия. М.: Наука, 1969, 407 с.
17. Сергеев А.И., Ягушкин Н.И. Изв. вузов. Физика. 1989, № 11, с. 62-67.
18. Yagushkin N.I., Sergeyev A.I., Grafodatsky O.S., Islayev Sh.N., Chemyavsky G.M. Proc. Int. Conf, on Probl.
of Spacecraft, Novosibirsk, 1992, pp. 127-135.
19. Гостищев Э.А., Пономарев В.Б., Ягушкин Н.И. Измерительная техника, 1986, № 1, с.23-24.
20. Буянов Ю.И., Гостищев Э.А., Пономарев В.Б., Самойлик А.В., Ягушкин Н.И. Измерительная техника,
1984, №7, с. 50-51.
21. Дергобузов К.А., Евдокимов О.Б., Кононов Б.А. Радиационная диагностика электрических потенциа-
лов. М.: Атомиздат, 1978, 86 с.
22. Веретелышк В.И., Кононов Б.А., Рыжакова Н.К., Ягушкин Н.И. Приборы и техника эксперимента, 1984,
№ 4, с. 204-205.
23. Кононов Б.А., Сапожков Ю.И., Смекалин Л.Ф., Ягушкин Н.И. Радиотехника и электроника, 1987, т. 32,
№ 4, с. 892-895.
24. Сапожков Ю.И., Смекалин Л.Ф., Ягушкин Н.И. Дефектоскопия, 1985, № 1, с. 35-39.
25. Стародубцев В.А., Ягушкин Н.И. Изв. вузов. Физика, 1986, № 5, с. 14-17.
26. Бордина Н.М., Козлов А.Г., Князев Б.Н., Летин В.А., Стародубцев В.А., Ягушкин Н.И. Физика и химия
стекла, 1986, т. 12, № 4, с. 419-423.
27. Корепанов В.И., Куренков В.В., Стародубцев В.А., Ягушкин Н.И. Физика и химия стекла, 1989, т. 15,
№ 1,с. 98-102.
28. Бордина Н.М., Князев Б.Н., Козлов А.Г., Летин В.А., Милованова Н.А., Стародубцев В.А., Ягушкин Н.И.
Гелиотехника, 1987, № 2, с. 6-10.
29. Matsuoka Sh., Sunaga Н., Tanaka R. et al. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1976, v. NS-23, No 5, pp. 1447-1452.
30. Кивенко Е.Б., Смекалин Л.Ф., Ягушкин Н.И. Изв. вузов. Физика, 1990, № 3, с. 47-52.
31. Dyrkov V.A., Evdokimov О.В., Yagushkin N.I. Rad. Phys. Chem., 1984, v. 23, No 3, pp. 331-340.
32. Гостищев Э.А., Сергеев А.И. Ягушкин Н.И. Письма в ЖТФ, 1988, т. 14, вып. 10, с. 869-873.
33. Сергеев А.И., Ягушкин Н.И. Изв. вузов. Физика, 1988, № 8, с. 20-25.
34. Helfrich W. Phys. Stad. Sol., 1964, v. 7, No 3, pp. 863-868.
35. Adamo R.C., Nanevicz V.E. Progress in Astronautics and Aeronautics, 1976, v. 47, pp. 225-235.
36. Katz I., Mandell M.J., Parks D.E., Schnuell G.W. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1980, v. NS-27, No 6, pp. 1786-1791.
37. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (Область сильных полей). М.: ГИФМЛ, 1958, 907 с.
38. Pfluger Р., Zeller H.R., Bemasconi J. Phys. Rev. Lett., 1984, v. 53, No 1, pp. 94-97.
39. Watson A., Dow J. J. Appl. Phys., 1968, v. 39, No 13, pp. 5935-5940.
40. Hill R.M., Dissado L.A. J. Phys. C: Sol. St. Phys., 1983, v. 16, pp. 2145-2156.
41. Hill R.M., Dissado L.A. J. Phys. C: Sol. St. Phys., 1983, v. 16, pp. 4447-4468.
ГЛАВА 1.12
РАДИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИМЕРОВ
Хатипов С.А.
Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова
Список сокращений
КА космический аппарат
ПМ полимерный материал
РЭ радиационная электропроводность
ВВЕДЕНИЕ
Полимерные материалы (ПМ) широко используются в изделиях космической тех-
ники, что связано с разнообразием их физико-химических свойств, относительной
простотой синтеза или создания на их основе композиций с заданным набором
свойств. Важно, что ПМ имеют малую плотность и, соответственно, малый вес, в
связи с чем их использование на космических аппаратах (КА) часто оказывается бо-
лее предпочтительным по сравнению с другими материалами.
Фактором, ограничивающим использование ПМ в космической технике, является
их низкая радиационная стойкость. Глубокие структурные изменения полимеров,
происходящие под действием радиации, значительно усложняют рассмотрение ра-
диационно-индуцированных электрических явлений, которые так или иначе связа-
ны со структурными характеристиками полимера. Универсальные подходы к опи-
санию таких явлений, как радиационная электризация, релаксация избыточного
заряда, радиационная электропроводность (РЭ) и др., оказываются неприменимыми
в связи со спецификой протекания радиационно-химических процессов в каждом
из полимеров.
362 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Значение РЭ для понимания физической картины электризации полимерного ди-
электрика в условиях космического пространства весьма важно, поскольку величина
наведенной РЭ часто значительно выше его собственной электропроводности, т. е.
РЭ наряду с фундаментальными характеристиками ПМ контролирует процесс накоп-
ления избыточного заряда и вероятность возникновения пробоя.
1.12.1. Общие представления о радиационной электропроводности
полимеров
Традиционно под РЭ понимают электропроводность, индуцируемую воздействи-
ем излучений высокой энергии (ускоренных электронов и протонов, рентгеновского
и гамма-излучений, быстрых и медленных нейтронов и др.), в отличие от фотопрово-
димости, индуцируемой воздействием электромагнитного излучения видимого и
ультрафиолетового диапазонов. РЭ возникает непосредственно в процессе воздей-
ствия излучения и спадает до нуля в течение некоторого времени после прекращения
облучения.
Различают нестационарную, наведенную импульсным облучением с длитель-
ностью обычно t<^ 1 с, и стационарную РЭ, возникающую при непрерывном воздей-
ствии излучения. Изучение нестационарной РЭ имеет значение с точки зрения уста-
новления закономерностей ранних стадий взаимодействия излучения с материалом.
Для прогнозирования поведения ПМ в условиях космического пространства на КА
прежде всего требуется знание закономерностей стационарной РЭ.
Увеличение электропроводности полимерного диэлектрика при воздействии ио-
низирующего излучения связано с образованием и накоплением в нем заряженных
частиц, способных перемещаться в направлении внутреннего и внешнего электриче-
ских полей. Количество образовавшихся заряженных частиц пропорционально по-
глощенной дозе излучения, единицами измерения которой являются 1 Гр = 1 Дж-кг"1
или 1 рад (1 Гр = 100 рад). Поглощение энергии излучения может быть однородным
по объему, когда максимальный пробег ионизирующих частиц много больше толщи-
ны материала, и неоднородным, когда энергия падающих частиц полностью (или
значительная ее часть) рассеивается в материале.
Первые систематические исследования РЭ полимеров при непрерывном воздейст-
вии рентгеновского излучения были выполнены в 1950-х годах Фаулером [1]. Была
установлена степенная зависимость установившихся значений РЭ сРэ, [Ом-1-м-1] от
мощности поглощенной дозы R, [Гр-с”1]:
(Урэ = Л7?д, (1.12.1)
где А - константа электропроводности, имеющая размерность Ом_1-м_1-Гр”л-сл (при
А = 1 численно равна электропроводности при единичной мощности дозы); А - пока-
затель степени, значения которого для полимеров находятся в интервале 0,5-1.
Для объяснения экспериментальных данных была разработана физическая мо-
дель [1], которая стала основой развития всех последующих представлений о РЭ по-
лимеров [2-6]. Действие излучения на полимер приводит к образованию свободных
электронов. Время жизни электронов в подвижном состоянии мало и ограничивается
ГЛАВА 1.12
РАДИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИМЕРОВ
363
захватом на ловушки различной глубины. Образующиеся при облучении дырки (чис-
ло дырок равно числу электронов) не принимают участия в переносе заряда, а играют
роль центров рекомбинации. Перемещение электрона в направлении поля происхо-
дит путем многократного захвата и термического выброса из ловушек. В рамках та-
кой физической модели для количественного описания индуцируемой электропро-
водности требуется записать уравнения материального баланса между общим числом
генерируемых в системе электронов, их числом в зоне проводимости и на ловушках,
и числом электронов, рекомбинирующих с дырками.
Предложенная модель РЭ полимеров подобна модели фотопроводимости полу-
проводников, развитой ранее Роузом [7]. Различие моделей заключается только в
том, что к полимерам в строгом смысле неприменимо представление о зоне прово-
димости, используемое при описании фотопроводимости полупроводников, посколь-
ку полимеры не обладают зонной электронной структурой и относятся к неупорядо-
ченным (аморфным) телам. Поэтому движение электрона в зоне проводимости в
рамках предложенной модели можно было представить только условно, отсюда одно
из названий модели - квазизонная. Теория прыжкового электронного транспорта в
некристаллических твердых телах, объясняющая природу подвижности электронов в
полимерах, была развита позднее [8]. Однако на уровне математического описания,
основанного на уравнениях материального баланса, природа подвижности электро-
нов не важна. Подобное феноменологическое описание применимо и используется
как для зонного, так и для прыжкового переноса электронов между локализованными
состояниями [8, 9]. Модель переноса электронов с многократным захватом на ло-
вушки, в том числе применительно к РЭ полимеров, в мировой литературе получила
название модели многократного захвата. Представления этой модели для анализа РЭ
полимеров и их электризации развивались в 1960-1970 гг. Винтлом [3], Хедви-
гом [4], Вайсбергом [5], Гроссом [6], Сесслером [10] и др.
В течение последующих 30 лет с момента начала исследований РЭ полимеров
был накоплен огромный экспериментальный материал. Были выявлены специфи-
ческие особенности поведения полимерных систем, не свойственные низкомолеку-
лярным твердым телам. Прежде всего, это относится к дозовым, температурным и
структурно-морфологическим эффектам, оказывающим драматическое влияние на
величину РЭ полимеров.
В серии работ Вайсберга и Сичкаря [11-16] решалась задача установления клю-
чевых структурных факторов, определяющих электронно-транспортные свойства
полимеров при облучении. С этой целью проводились исследования влияния условий
облучения, физического и химического модифицирования полимера, температуры,
дозы облучения и др. Были получены данные, свидетельствующие о чрезвычайно
высокой чувствительности РЭ к тонким особенностям строения полимера, связанным
с частичной кристалличностью, распределением кристаллитов по размерам, жест-
костью полимерных цепей, молекулярной подвижностью, и к изменениям структуры
в зависимости от поглощенной дозы.
В работах Тютнева [19-24] развивался противоположный и, по сути, формали-
зованный подход, основанный на воспроизведении временных зависимостей РЭ
полимеров путем варьирования параметров модели многократного захвата без уче-
та поглощенной дозы.
364
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.12.1
Параметры РЭ полимерных диэлектриков в различных условиях облучения
Полимер Вид излучения Мощность дозы, рад-с-1 Поглощенная доза, 103 рад А А, 10'17 Ом“’-см“'-рад“л-сл
гамма < 0,00023 <0,010 0,8 86
ПЭНП рентгеновское 0,001-1 <1 0,81 45
гамма 0,56-28 <500 0,61 10
гамма 15-250 <300 0,85 7
электронное 100-105 < 105 0,82 30
рентгеновское 0,001-1 < 1 0,63 30
гамма 0,56-28 <500 0,83 50
ПТФЭ гамма 15-250 < 100 < 1000 1 1 5 25
гамма 5-150 < 100 0,74 6
электронное 100-105 <104 1 20-80
ПП гамма 15-250 <300 1 0,41
электронное 100-105 < ю4 1 10
ФЭП гамма 15-250 <300 0,6 16
электронное 100-105 < ю4 1 8
рентгеновское 0,001-1 < 1 0,75 0,45
ПС гамма 15-250 < 10 0,84 1,1
электронное 100-105 < ю4 0,84 1,25
рентгеновское 0,001-1 < 1 0,55 0,6
ПММА гамма электронное 15-250 100-105 <300 0,84 1 3 2
ПЭТФ рентгеновское 0,001-1 <1 0,83 0,03
гамма электронное 15-250 100-1О5 < 100 0,76 0,96 2,7 1,6
В таблице и далее в тексте используются следующие сокращения наименований
полимеров:
ПЭНП полиэтилен низкой плотности ПЭТФ полиэтилентерефталат
пэвп полиэтилен высокой плотности ПБ полибутадиен
ПТФЭ политетрафторэтилен ПС полистирол
ПП полипропилен ПВФ поливинилфторид
сополимер тетрафторэтилена ПВДФ поливинилиденфторид
Ф-4МБ с гексафторпропиленом ПИ полиимид
(или (или фторированный ПК
ФЭП) сополимер этилена поликарбонат
с пропиленом) ПА полиамид
ПММА полиметилметакрилат ПМФС полиметилфенилсилоксан
ГЛАВА 1.12
РАДИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬПОЛИМЕРОВ
365
В табл. 1.12.1 сведены результаты измерений РЭ, полученные разными авторами
при рентгеновском, гамма- и электронном облучении некоторых полимеров. Видно,
что РЭ обладает свойством «неопределенности». Разброс констант РЭ для одного и
того же полимера очень высок и может существенно превышать порядок величины.
Этот разброс возникает как результат применения разных источников излучения с
различной мощностью дозы (и соответственно, различной величиной суммарной по-
глощенной дозы при измерениях значений радиационного тока), а также как резуль-
тат использования различных марок полимера с разной технологической предысто-
рией. Физическое (морфологическое) модифицирование полимера может оказывать
гораздо более сильное влияние на РЭ, чем его химическое модифицирование [25, 26].
В принципе, каждое из приведенных в таблице значений можно было бы формально
воспроизвести численно путем подбора функции распределения ловушек по энергии
или других параметров модели многократного захвата, однако очевидно, что при
этом не будут решены задачи установления действительных причин наблюдаемых
закономерностей, адекватности используемой модели и, наконец, возможности ис-
пользования модели для прогнозирования. Для решения этих задач требуется устано-
вить физическую природу наблюдаемой «неопределенности».
Ниже кратко изложены некоторые экспериментальные результаты, имеющие
значение для понимания и развития моделей прогнозирования РЭ полимеров, по-
лученные в последние 15 лет в Обнинском филиале НИФХИ им. Л.Я. Карпова. Ис-
следования проводились на трех установках, позволяющих выполнять измерения
РЭ полимеров в широком интервале мощностей доз, температур и напряженностей
электрического поля:
• на базе электронного просвечивающего микроскопа УЭМВ-100К с энергией
электронов 25-100 кэВ;
• на базе установки «Имитатор Космоса ИК-400», включающей источники уско-
ренных электронов и протонов с энергией 20-120 кэВ;
• на базе ускорителя ЭЛУ8-2 с энергией электронов 9 МэВ.
Ряд экспериментов, в частности, по влиянию высоких давлений на РЭ, выполнен
на гамма-установке с изотопом 60Со. Методические вопросы проведения исследова-
ний изложены в [26].
1.12.2. Основные закономерности радиационной электропроводности
полимеров
1.12.2.1. Зависимость от времени облучения и температуры
Изучение зависимости РЭ от времени облучения показало, что возникновение
максимума на кинетических кривых свойственно многим полимерам. Вопросы кине-
тики РЭ рассмотрены в [27-30]. На рис. 1.12.1 приведены графики, полученные при
облучении полимерных пленок толщиной 20 мкм электронами с энергией 75 кэВ при
комнатной температуре. Мощность дозы составляла R = 25 Гр-с"1, напряженность
электрического поля Ео - 25 МВ-м"1 (кривые 1 и 2) и 1 МВ-м"1 (кривая 3), погло-
щение считалось однородным по объему. Общей закономерностью всех графиков
является сложный характер зависимости радиационного тока от времени облучения.
366
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.12.1. Зависимость РЭ о от времени
облучения t для пленок из ПМ:
1 - ПП; 2 - ПЭНП; 3 - ПТФЭ
рое время, достаточное для
На кинетических кривых отчетливо выде-
ляются две компоненты РЭ, которые можно
охарактеризовать как быструю (oR) и мед-
ленную (os)- После прохождения максиму-
мов РЭ необратимо и монотонно уменьша-
ется, не достигая стационарного уровня при
довольно больших временах облучения.
Экспериментально достигались уровни по-
глощенных доз более 1 МГр, при этом ра-
диационный ток необратимо уменьшался
по сравнению с его значением в максимуме
на два и более порядка.
Обычно зависимость РЭ от времени
облучения регистрируют без прерывания
процесса облучения. Однако если облуче-
ние прервать и возобновить через некото-
наведенного тока, то характер второй вре-
менной зависимости РЭ будет нести в себе информацию о влиянии предварительной
дозы, поглощенной в течение первого облучения. Используя этот прием, было изу-
чено поведение РЭ в разных точках кинетических кривых.
На рис. 1.12.2 показана серия таких кривых для пленок толщиной 25 мкм из
Ф-4МБ (ФЭП), полученных в результате облучения электронами с энергией 75 кэВ
при мощности дозы R = 390 Гр-с"1 и Е0 = 4МВ-м"1. После каждого облучения дли-
тельностью А/,-, меньшей, чем время достижения максимума, образец выдерживался в
вакууме в течение времени A/j»A//, достаточного для релаксации остаточной наве-
денной электропроводности. Видно, что скорость нарастания тока зависит от дозы
предварительного облучения. При каждом следующем облучении величина наведен-
ного тока не превышала величину, при достижении которой было прекращено пре-
дыдущее облучение. Все изменения РЭ носили необратимый характер, в том числе
монотонное уменьшение после прохождения максимума.
Рис. 1.12.2. Зависимость РЭ а от времени /
для ФЭП при прерывистом облучении
Согласно представленным на рис. 1.12.3
данным для пленок ПЭНП толщиной 20 мкм
(облучение при R = 25 Гр-с"1, Ео = 25 МВ-м"1,
Г =293 К), длительное хранение образца
после облучения и даже отжиг при темпе-
ратуре, близкой к температуре плавления
кристаллитов, не приводят к восстановле-
нию первоначальной зависимости РЭ от
времени облучения. Аналогичный резуль-
тат получен для других полимеров: ПП,
ПТФЭ, ПБ и др.
Обращает на себя внимание, что обна-
руженные особенности в поведении РЭ бы-
ли наиболее ярко выражены в полимерах
ПЭНП, ПТФЭ, ПП, ПБ, ПВДФ, ПВФ и др.,
ГЛАВА 1.12
РАДИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИМЕРОВ
367
аморфная фаза которых при комнатной
температуре находится в высокоэластич-
ном состоянии. В полимерах ПС, ПЭТФ,
ПК, ПИ, ПА и др., находящихся при ком-
натной температуре в стеклообразном со-
стоянии, эти особенности были выражены
значительно слабее. Изучение температур-
ных зависимостей подтвердило этот факт и
позволило установить характер связи РЭ с
молекулярной подвижностью.
Во всех исследованных полимерах вид
временных зависимостей существенно ме-
няется с температурой. В ПЭНП при ком-
натной температуре наблюдается два мак-
симума РЭ, соответствующие быстрой и
медленной компонентам. При повышении
температуры максимумы сдвигаются в сто-
рону более коротких времен, так что при
Г>304К регистрируется только второй
пик. При понижении температуры макси-
мумы на кинетических кривых исчезают.
a-переход в аморфной фазе регистрируется i
Рис. 1.12.3. Временные зависимости
плотности радиационного тока/в ПЭНП
для различных доз предварительного
облучения: 1 - исходный (необлученный),
2 - 4,5-103 Гр, 3 - 1,1 • 104 Гр, 4 - 2,2-104 Гр,
5 - 6,5-104 Гр и после хранения 60 суток,
6 - 8-104 Гр и после храпения 60 суток
и отжига 1 ч при 360 К
В частично-кристаллическом ПЭНП
i частотах 10”2-102 Гц вблизи 240 К. В
этой же области наблюдается полное исчезновение максимумов РЭ. При Т < 253 К
РЭ не зависит от температуры. На рис. 1.12.4 приведены аррениусовские зависимо-
сти для полимерных пленок при R = 25 Гр-с”1 (кривые 1 и 2) и 250 Гр-с”1 (кривая 3),
Eq-25 МВ-м”1, 5 МВ-м”1 и 10 МВ-м”1 (кривые 1, 2 и 3 соответственно). Из графиков
видно, что точки перегиба достаточно хорошо коррелируют с релаксационными пе-
реходами, связанными с вращением бензольного кольца (200 К) и Р-релаксацией
(333 К) в ПС, р- (160-180 К) и а-релаксацией (240 К) в ПЭНП, р- (180-200 К) и
а-релаксацией (260 К) в ПП [31].
Наиболее сильный рост («разгорание»)
РЭ наблюдается в области стеклования по-
лимерной матрицы. При Т < Тр, т. е. в об-
ласти у-релаксации, во всех полимерах РЭ
не зависит от температуры. С учетом по-
грешности измерений энергия активации
РЭ на этом участке не более 0,005 эВ.
В табл. 1.12.2 представлены значения
параметров РЭ (энергия активации Ер, конс-
танта электропроводности в максимуме Ат,
показатель зависимости от мощности дозы
А, температура излома аррениусовских кри-
вых Г*), температура стеклования Tg и энер-
гия активации Р-релаксации ряда полимеров
Ер. В скобках даны значения при 100 К.
Рис. 1.12.4. Температурная зависимость
РЭ о для: 1 - ПЭНП; 2 - ПС, 3 - ПП
368
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.12.2
Характеристика образцов ПМ
Образец rg)K г, к ЕР, эВ £р, эВ Am, IO’13 Ом 1-м 1-Гр д сд А
ПК 423 0,25 1,0 ±0,1 0,1-0,3 (0,09) 0,8
ПС 373 333 0,4-0,5 1,1 ±0,1 0,2-0,6 (0,25) 0,84 (0,91)
ПММА 380 330 0,42 0,85 ±0,1 0,2-0,8 (0,65) 0,84
ПВХ 350 340 0,75 0,65 ± 0,05 0,3-0,8 0,8
ПЭТФ 353 340 0,5 0,5-0,55 1,3-2,0 0,7
ПП 260 265 0,3-0,4 0,46 8-10(0,08) 1,0 (1,0)
ПЭНП 240 250 0,3-0,4 0,36 ± 0,08 13(0,9) 0,85 (0,97)
ПБ 190 200 0,2 0,3-0,4 20-22 (0,05) 0,6 (1,0)
ПТФЭ 190 200 0,4 0,05 (0,4) 20-80 (0,2) 1,0 (1,0)
1.12.2.2. Влияние поглощенной дозы и физической структуры
Наличие связи электронно-транспортных свойств полимера с молекулярной под-
вижностью неизбежно ведет к зависимости РЭ от радиационно-химических процес-
сов и морфологических особенностей строения, влияющих на спектр молекулярной
релаксации. Радиационно-химические процессы в каждом полимере весьма специ-
фичны, однако некоторые из них носят достаточно общий характер, например, про-
цессы разрыва и сшивания полимерных цепей. Во многих полимерах в зависимости
от времени облучения (или величины поглощенной дозы) вначале доминирует один
процесс, например, сшивание, затем другой - деструкция. В соответствии с этим за-
висимости макроскопических свойств полимеров от поглощенной дозы часто имеют
вид кривых с максимумом.
о, 10 Ом *м тт 1 л с
На рис. 1.12.5 представлены временные
Рис. 1.12.5. Зависимость РЭ а ФЭП
от времени облучения / при Т, [К]:
1 - 293;2 - 313;3 - 333;4 - 353;
5 - 373; 6 - 413
зависимости РЭ для различных темпера-
тур, полученные при облучении пленок
Ф-4МБ (ФЭП) толщиной 25 мкм электро-
нами с энергией 75 кэВ (R = 390 Гр-с"1,
Ео = 4МВ-м"1). Видно, что при Г>293 К
РЭ начинает уменьшаться с ростом темпе-
ратуры, т. е. в координатах Аррениуса тем-
пературная зависимость имеет максимум.
Участок спада наведенного тока при по-
вышении температуры формально соответ-
ствует отрицательной энергии активации
медленной компоненты РЭ - crs- В той же
области температур начальный ток, соот-
ветствующий быстрой компоненте crR, со-
ГЛАВА 1.12
РАДИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИМЕРОВ
369
храняет аррениусовское поведение. Это
можно видеть на рис. 1.12.6, где приведены
температурные зависимости быстрой и мед-
ленной компонент РЭ для пленки ФЭП
(R = 390 Гр-с”1, Eq = 4 МВ-м”1). Известно, что
при повышенных температурах в Ф-4МБ
значительно увеличивается выход радиаци-
онного сшивания, сокращающего частоту
молекулярных движений. Полученный ре-
зультат однозначно указывает на радиаци-
онно-химическую природу максимума на
кинетических кривых РЭ Ф-4МБ. В работе
[26] была специально изучена дозовая зави-
симость молекулярной подвижности Ф-4МБ
методом термостимулированной проводимо-
сти. Было показано, что на ранних стадиях
Рис. 1.12.6. Температурная зависимость
быстрой (1) и медленной (2)
компонент РЭ ФЭП
радиолиза (при дозах менее 10 кГр), соответствующих нарастанию радиационного
тока, происходит увеличение сегментальной подвижности, затем наблюдается ее мо-
нотонное уменьшение с ростом поглощенной дозы.
При увеличении степени кристалличности происходит уменьшение доли свобод-
ного флуктуационного объема, что приводит к росту «жесткости» полимерной мат-
рицы. В связи с этим представляет интерес сравнение временных зависимостей
РЭ ПЭВП, ПЭНП и ПЭВП, модифицированного путем прививки а-бутилена. Такие
зависимости, полученные при R = 25 Гр-с"1, Eq = 25 МВ-м"1, Т= 293 К, приведены на
рис. 1.12.7. В ПЭВП, имеющем более высокую степень кристалличности по сравне-
нию с ПЭНП, не наблюдается максимумов, и значения РЭ на порядок ниже. В хими-
чески модифицированном ПЭВП наличие бокового объемного заместителя приводит
к «разрыхлению» структуры и, соответственно, увеличению интенсивности сегмен-
тальных движений. Как видно из рис. 1.12.7, в модифицированном ПЭВП временная
зависимость становится такой же, как в
ПЭНП. Заметим, что отличие в значениях
РЭ ПЭНП от ПЭВП превышает отличие
ПЭНП от ПИ, ПММА и ПЭТФ.
Еще одним экспериментальным свиде-
тельством влияния радиационно-химиче-
ских процессов на характер временной
зависимости РЭ являются данные, полу-
ченные при облучении ПТФЭ в присутст-
вии кислорода. В этом случае значительно
увеличивается выход разрывов полимер-
ных цепей и ускоряется процесс декри-
сталлизации полимера, увеличивающий
время молекулярной релаксации. Кри-
сталличность увеличивается приблизи-
тельно на 10-15% при дозе 50 кГр. В пол-
для: 1 - ПЭВП, 2 - ПЭНП, 3 - ПЭВП,
модифицированного а-бутиленом
370
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.12.8. Зависимость РЭ ПТФЭ от
времени у-облучения: 1 - в воздухе,
2 - в вакууме
ном соответствии с этим РЭ ПТФЭ в мак-
симуме и время достижения максимума в
присутствии кислорода значительно мень-
ше, чем в вакууме. Это иллюстрируется
рис. 1.12.8, на котором приведены времен-
ные зависимости РЭ ПТФЭ при у-облуче-
НИИ (Л = 2,2 Гр-с"1, Ео = 1 МВ-м’1, Т= 295 К)
в воздухе (0,1 МПа) и вакууме (10’3 Па).
Известно, что для удаления примеси
кислорода в объеме полимера требуется
проводить вакуумирование образцов либо
очень продолжительное время, либо при
максимально возможной температуре. В
большинстве работ по изучению РЭ не
сообщается, какие специальные меры при-
нимались для удаления следов кислорода
в объеме полимера. Вместе с тем известно,
что наличие молекулярного кислорода существенно влияет на радиационно-
химические процессы. Таким образом, помимо морфологии и технологической пре-
дыстории образца, наличие неконтролируемой примеси кислорода в объеме поли-
мера является еще одним фактором, способствующим появлению широкого раз-
броса значений РЭ для одного и того же полимера.
1.12.2.3. Влияние высоких давлений
Прямым доказательством участия крупномасштабных молекулярных движений
в переносе генерируемых излучением зарядов является зависимость РЭ от давле-
ния, полученная для ПТФЭ в условиях всестороннего механического сжатия по-
лимера. На рис. 1.12.9 представлены кинетические кривые РЭ ПТФЭ, полученные
Рис. 1.12.9. Зависимости РЭ ПТФЭ
от времени облучения при различных
давлениях: 1 - 0,1, 2 - 30, 3 - 50,
4-90,5- 125 МПа
при различных давлениях (R = 2,2 Гр-с"1,
Eq = 1 МВ-м"1, Т = 295 К). Положение и ве-
личина максимумов РЭ зависят от прило-
женного давления. Рост давления приводит
к уменьшению РЭ и увеличению времени
достижения максимума.
Наличие существенных изменений ки-
нетики РЭ при относительно невысоких
давлениях - результат неожиданный с точ-
ки зрения модели многократного захвата.
Роль активационного объема для прыжко-
вого переноса мала, тогда как эффект сбли-
жения прыжковых центров при достаточно
высоких давлениях должен был бы при-
вести к увеличению проводимости. Экспе-
риментальные результаты свидетельству-
ют об обратном.
ГЛАВА 1.12
РАДИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИМЕРОВ
371
Величины активационного объема, определенные из наклона полулогарифмиче-
ских зависимостей от и tm от давления, составили соответственно 30 и 90 см3-моль“1.
Значения активационного объема по данным РЭ могут быть занижены в связи с тем,
что суммарный радиационный ток имеет заметный вклад, обусловленный движением
носителей заряда с энергией активации меньше 0,01 эВ. Очевидно, что влияние дав-
лений в интервале 0,1-100 МПа на эту составляющую проводимости пренебрежимо
мало.
1.12.2.4. Основные результаты и их значение для прогнозирования РЭ
Представленные выше результаты позволяют сделать следующие выводы.
Молекулярная подвижность играет определяющую роль в переносе зарядов при
облучении полимеров. При замораживании сегментальных движений, включающих
несколько (до 8) звеньев полимерной цепи, РЭ слабополярных полимеров (ПЭ, ПП,
ПТФЭ и др.) не зависит от температуры. РЭ полярных полимеров (ПИ, ПМФС и др.)
не зависит от температуры при замораживании подвижности на уровне звена. При
размораживании молекулярной подвижности во всех полимерах наблюдается эффект
«разгорания» РЭ. Энергия активации РЭ в этих областях находится в интервале
0,4-1,1 эВ.
Сложный характер зависимости РЭ от времени облучения (первоначальное плато,
наличие максимумов, отсутствие выхода на стационарный уровень, необратимость)
обусловлен радиационно-индуцированными изменениями структуры и молекулярной
подвижности полимера. Формирование максимумов на кинетических кривых радиа-
ционного тока объясняется доминирующей ролью процесса деструкции на началь-
ных стадиях радиолиза и структурирования на последующих. Механизм влияния по-
глощенной дозы на перенос зарядов связан с изменением спектра молекулярной ре-
лаксации.
Совокупность имеющихся экспериментальных результатов не оставляет сомне-
ний, что прогнозирование РЭ полимеров в тех или иных условиях эксплуатации не
может быть основано на какой-либо единой (универсальной) физической модели.
Построение такой модели даже для одного полимера наталкивается на серьезные
проблемы, связанные с недостаточной изученностью кинетики и механизма радиа-
ционно-химических процессов, их связи с молекулярно-динамическими и мор-
фологическими характеристиками полимера и, наконец, связи последних с элект-
ронно-транспортными свойствами. Вместе с тем полученные данные позволяют
сформулировать принципиальные подходы к разработке алгоритмов прогнозирова-
ния РЭ.
Поскольку ключевая роль молекулярной подвижности и ее изменений в зависи-
мости от поглощенной дозы установлена, критериями сравнительной оценки РЭ по-
лимеров в условиях эксплуатации будут являться: температура стеклования, темпе-
ратурный интервал эксплуатации, характер влияния поглощенной дозы на молеку-
лярную подвижность в заданном интервале температур. Прогнозирование РЭ может
быть проведено экспериментальным путем на основе ускоренных испытаний. Оценка
сверху величины РЭ и ее зависимости от времени облучения может быть получена на
основе дозовой зависимости радиационного тока при максимальной температуре
372 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
эксплуатации. Исключение составляют полимеры, в которых РЭ с ростом температу-
ры уменьшается. В последнем случае проводятся испытания температурной зависи-
мости РЭ. Для оценки снизу необходимо измерение дозовой зависимости РЭ при ми-
нимальной температуре эксплуатации. Дозовая зависимость РЭ и ее зависимость от
температуры являются универсальными характеристиками полимера. Они практиче-
ски не зависят от мощности дозы излучения и характера термоциклирования, в связи
с чем могут быть использованы для построения временных зависимостей РЭ в раз-
личных условиях эксплуатации. Характер зависимости РЭ от времени облучения
имеет принципиальное значение при описании процесса электризации полимера.
Ниже этот вопрос рассмотрен более подробно.
1.12.3. Радиационная электропроводность и электризация полимеров
ПМ, используемые на КА в составе экранно-вакуумной теплоизоляции, кабельной
электроизоляции, терморегулирующих покрытий, а также конструкций, распола-
гающихся на внешней поверхности КА, подвержены воздействию всего энергетиче-
ского спектра ионизирующих излучений космического пространства (электронов и
протонов радиационных поясов Земли, солнечного ультрафиолетового излуче-
ния и др.). Значительная часть ПМ, функционирующая за защитой в составе радио-
технических устройств и др., располагаемых на внешней поверхности КА, подверже-
на воздействию той части электронного и протонного излучений, которая проникает
за защиту. Используемые на внешних поверхностях КА полимеры: ПИ, ПЭТФ,
Ф-4МБ, ПЭ, ПТФЭ, ПМФС, ПА, полиакрилаты и др. - относятся к классу хороших
диэлектриков, способных в условиях космического пространства накапливать боль-
шие величины нескомпенсированного электрического заряда за счет поглощения
электронов и протонов с пробегом менее толщины материала, что ведет к возникно-
вению поверхностных и объемных электрических пробоев, разрушающих материал и
влияющих на работу бортовой аппаратуры.
Рассмотрим простейший случай электризации короткозамкнутого образца ди-
электрика моноэнергетическим пучком электронов с пробегом много меньше толщи-
ны образцы. При такой схеме электризации с тыльного электрода регистрируется
зарядный ток, который уменьшается от первоначального значения, равного I^r/ L, др
нуля (/0 - ток пучка электронов, г - пробег электронов, L - толщина образца), ток с
переднего электрода увеличивается от /0(1 - г/L) до стационарного значения, равно-
го току падающего пучка /0- В условиях равновесия поступающий в образец заряд
полностью стекает с переднего электрода через облучаемую часть образца. Этому
способствует РЭ облучаемой части, поскольку она значительно превышает темновую
электропроводность. По этой же причине считают заблокированной необлучаемую
часть образца, прилегающую к тыльному электроду. Обычно также полагают, что
зависимость РЭ от времени облучения быстро выходит на стационарный уровень за
временной интервал, который значительно меньше времени достижения стационар-
ного режима электризации. Тогда можно получить простое уравнение рассматривае-
мой электрической цепи, из которого легко выражаются постоянная времени заряже-
ния т и накопленный в образце заряд [6]:
ГЛАВА 1.12
РАДИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИМЕРОВ
373
= Я(С,+С2) =---7^-7Т,
орэ(1-г/£)
г о
(1.12.2)
где R - сопротивление облучаемой части полимера; С\ и С2 - электрические емкости
облучаемой и необлучаемой частей полимера; в - диэлектрическая проницаемость
образца; в0 - диэлектрическая постоянная; <тРэ - РЭ диэлектрика; /(/) - плотность тока
с тыльного электрода.
В литературе имеются подтверждения качественного согласия подобного рас-
смотрения с экспериментальными данными, например, электризация Ф-4МБ толщи-
ной 1 мм пучком электронов с энергией 40 кэВ [6].
Нами было проведено изучение зарядных токов при электризации пленок Ф-4МБ
толщиной 50, 75, 125 и 190 мкм электронами с энергией 50 и 75 кэВ в короткозамк-
нутой цепи. Ток заряжения регистрировался с тыльного электрода. Ток электронного
пучка устанавливался таким образом, чтобы обеспечить в облучаемом объеме сред-
нюю мощность дозы, близкую к значению этой величины при измерениях однород-
ной по объему РЭ. Полученные результаты представлены на рис. 1.12.10.
На рис. 1.12.10а приведены кривые зарядного тока пленок Ф-4МБ толщиной 50,
75 и 190 мкм, полученные при воздействии электронов с энергией 50 кэВ при токе
пучка 0,4-10"7 А-см"2 (измерения проведены на электронном микроскопе УЭМВ-100К).
Максимальный пробег электронов с энергией 50 кэВ в Ф-4МБ составляет приблизи-
тельно 25 мкм. Средняя мощность дозы в облучаемой части полимера в данном ре-
жиме электризации составляет 400 Гр-с"1 и приблизительно равна мощности дозы,
при которой производилось измерение временных зависимостей объемной РЭ, пред-
ставленных выше на рис. 1.12.5.
На рис. 1.12.106 приведены аналогичные данные для пленок толщиной 75, 125 и
190 мкм при облучении электронами с энергией 75 кэВ (максимальный пробег около
50 мкм, ток в пучке 0,7-10"7 А-см"2, средняя мощность дозы около 500 Гр-с"1).
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что ход кривых заряжания
коррелирует с временными зависимостями РЭ. Как видно из рис. 1.12.5, при ком-
натной температуре зависимость РЭ Ф-4МБ от времени облучения имеет два ха-
рактерных участка. На первом РЭ имеет квазистационарные значения в течение
первых 10-20 с (до поглощенной дозы около 4 кГр). На втором - наблюдается рез-
кое увеличение РЭ (в интервале 20-200 с) и затем ее уменьшение (при временах
более 200 с).
В области, где РЭ имеет квазистационарные значения, наблюдается зарядный ток,
спадающий до нуля в первые 8-30 с (кривые 1-3, рис. 1.12.10а) облучения. Затем, в
области времен (и поглощенных доз) нарастания РЭ зарядный ток меняет поляр-
ность, становится положительным, что соответствует разрядке образца. На этом уча-
стке ток стекания заряда на передний электрод становится больше тока падающего
пучка, что согласуется с приведенными выше соотношениями, так как при увеличе-
нии РЭ постоянная времени заряжания цепи и величина стационарного заряда
уменьшаются. В результате наблюдается кинетический эффект частичной разрядки
374 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
образца. Заметим, что величина тока разрядки снижается при уменьшении отноше-
ния г/L, так что можно ожидать отсутствия этого эффекта при пробегах электронов,
которые много меньше толщины образца. Тем не менее даже при соотношении 1/8
(для пленок 190 мкм при воздействии электронов 50 кэВ) эффект перемены полярно-
сти токов надежно регистрируется (кривая 3 на рис. 1.12.10а). При дальнейшем уве-
личении времени облучения (более 200 с и 80 кГр) ток становится отрицательным,
что соответствует продолжению процесса накопления заряда. На этом участке про-
исходит необратимое и монотонное уменьшение РЭ, что должно привести к нараста-
нию зарядного тока. Как видно из рис. 1.12.10а, действительно нарастание зарядного
тока наблюдается в течение довольно продолжительного времени. Стационарное со-
стояние (равенство нулю зарядного тока) не достигалось при временах облучения
3 500 с (1400кГр). Аналогичное поведение наблюдается при электризации пленок
Ф-4МБ электронами с энергией 75 кэВ (рис. 1.12.106). Таким образом, в интервале
значений г/L от 1/8 до 1/2, реализованных в описываемом эксперименте, проявляется
существенное влияние кинетических закономерностей РЭ на процесс электризации
полимера.
Ток заряжения, 10 9 А-см 2 Ток заряжения, 10 9 А-см
1 10 102 /,с 1 10 102 /,с
а б
Рис. 1.12.10. Зарядные токи в короткозамкнутом режиме в зависимости от времени заряжения
для пленок Ф-4МБ разной толщины: а - 1 - 50; 2 - 75; 3 - 190 мкм;
б- 1-75; 2-125; 3-190 мкм
На рис. 1.12.11 представлены кривые зарядного тока для случая, когда отношение
г/L близко к единице. Кривая 1 получена при электризации пленки Ф-4МБ толщиной
25 мкм электронами 50 кэВ при токе пучка 0,4-10"7 А-см"2, кривая 2 - пленки толщи-
ной 50 мкм электронами 75 кэВ при токе пучка 0,7-10"7 А-см"2. При приближении
отношения г/L к единице постоянная времени электризации и величина накапли-
ваемого заряда, согласно (1.12.2), значительно увеличиваются. Это приводит к за-
медлению спада зарядного тока и отсутствию заметного влияния кинетических осо-
бенностей РЭ в области времен до 200 с (кривые 1 и 2, рис. 1.12.11). Однако при
больших временах, когда РЭ монотонно спадает, наблюдается резкая перемена в по-
ведении зарядного тока: он начинает увеличиваться, причем его значение становится
равным току падающего пучка, после чего он вновь уменьшается. Эффект возраста-
ния зарядного тока в полимерах при уменьшении г IL хорошо известен и объясняется
ГЛАВА 1.12
РАДИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИМЕРОВ
375
появлением заметного вклада токов стека-
ния заряда на тыльный электрод через не-
облучаемую часть полимера (этот ток по
знаку совпадает с током заряжания) [6].
Совокупность полученных нами результа-
тов позволяет предположить, что увеличе-
ние вклада этой составляющей тока, наблю-
даемое при больших временах облучения,
обусловлено, с одной стороны, значитель-
ным необратимым уменьшением РЭ облу-
чаемой части полимера и, с другой стороны,
увеличением электропроводности необлу-
чаемой части полимера за счет воздействия
на нее тормозного излучения.
Представленные результаты убедитель-
но свидетельствуют о том, что РЭ полиме-
Рис. 1.12.11. Зарядные токи в
короткозамкнутом режиме в зависимости
от времени заряжения для пленок Ф-4МБ
толщиной: 1 - 25 мкм; 2-50 мкм
ров оказывает существенное влияние на
вид зависимости зарядного тока от времени облучения и, соответственно, на времен-
ную зависимость и величину накапливаемого избыточного заряда и поверхностного
потенциала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Fowler J.F. Proc. Roy. Soc. London, 1956, A 236, p. 464.
2. Чарлзби А. Ядерные излучения и полимеры. М.: Иностр, литература, 1962, 252 с.
3. Wintie H.J. The radiation chemistry of macromolecules. Ed. M. Dole. Academic Press, 1972, pp. 109-126.
4. Hedvig P. The radiation chemistry of macromolecules. Ed. M. Dole. Academic Press, 1972, pp. 127-144.
5. Вайсберг С.Э. Обратимые радиационные эффекты в полимерах. Радиационная химия полимеров. Под
ред. акад. Каргина А.А. М.: Наука, 1973, с. 376.
6. Gross В. Topics in current physics: Electrets. Ed. Sessler G.M. Berlin: Springer, 1980, pp. 271-356.
7. Rose A. R. C. A. Rev., 1951, v. 12, p. 362.
8. Мотт H., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир. 1982, 662 с.
9. Поуп М., Свенберг 4. Электронные процессы в органических кристаллах. Пер. с англ, под ред. Си-
линьша Э.А., Франкевича Е.Л. М.: Мир, 1985, т. 1,2.
10. Sessler G.M. Topics in current physics: Electrets. Berlin: Springer, 1980, pp. 25-104.
11. Сичкарь В.П., Вайсберг С.Э., Карпов В.Л. Некоторые особенности термостимулированного тока в
полимерах, подвергнутых низкотемпературному радиолизу. Высокомолек. соед. А, 1971, т. 13, №9,
с. 679-681.
12. Вайсберг С.Э., Сичкарь В.П., Карпов В.Л. Исследование радиационной электропроводности полиме-
ров. Высокомолек. соед. А, 1971, т. 13, № 11, с. 2502-2507.
13. Сичкарь В.П., Вайсберг С.Э., Ванников А.В. Влияние структуры и химического строения полимера на
концентрацию и характер движения избыточных носителей заряда, созданных ионизирующим облу-
чением. Высокомолек. соед. А, 1977, т. 19, № 7, с. 1632-1637.
14. Сичкарь В.П. Влияние термообработки и предварительного облучения на радиационную электропро-
водность некоторых полимерных материалов. Высокомолек. соед. А, 1975, т. 17, № 6, с. 1314-1318.
15. Сичкарь В.П., Вайсберг С.Э. Наведенная ионизирующим излучением электропроводность полимеров
при воздействии гамма-излучения и света. Химия высоких энергий, 1984, т. 18., № 5, с. 433-438.
376 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
16. Сичкарь В.П., Алексаняна О.С., Степанов В.Ф. Механизм обратимого возрастания радиационной
электропроводности ПТФЭ в зависимости от поглощенной дозы излучения. Пластические массы,
1988, № 10, с. 30-32.
17. Gross В., Faria R.M., Ferreira G.F. Radiation-induced conductivity in Teflon irradiated by X-rays. J. Appl.
Phys., 1981, v. 52, No 2, pp. 571-577.
18. Витохин А.Д., Вольф E.M. Исследование температурной зависимости электропроводности органиче-
ских диэлектриков при воздействии излучения. Химия высоких энергий, 1971, т. 5, № 4, с. 321-324.
19. Тютнев А.П., Ванников А.В., Мингалеев Г.С. Радиационная электрофизика органических диэлектри-
ков. М.: Энергоатомиздат, 1989, 192 с.
20. Тютнев А.П., Ванников А.В., Мингалеев Г.С., Саенко В.С. Электрические явления при облучении
полимеров. М.: Энергоатомиздат, 1985, 176 с.
21. Тютнев А.П. Радиационная электропроводность полимеров (Обзор). Химия высоких энергий, 1996,
т. 30, № 1, с. 5-18.
22. Тютнев А.П., Абрамов В.Н., Саенко В.С., Пожидаев Е.Д., Флоридов А.А. Радиационная электропро-
водность полимеров. Химическая физика, 1994, т. 13, № 3, с. 109-116.
23. Тютнев А.П., Архипов В.И., Никитенко В.Р., Садовничий Д.Н. Применимость геминального механиз-
ма к описанию радиационной электропроводности полимеров. Химия высоких энергий, 1995, т. 29,
№5, с. 351-357.
24. Тютнев А.П., Архипов В.И., Никитенко В.Р., Садовничий Д.Н. К вопросу о природе неланжевеновской
рекомбинации носителей заряда в полимерах. Химическая физика, 1996, т. 15, № 3, с. 91-99.
25. Хатипов С.А. Радиационно-индуцированные процессы электронного транспорта в полимерных ди-
электриках (обзор). Химия высоких энергий, 2001, т. 35, № 5, с. 323-339.
26. Хатипов С.А. Радиационно-индуцированные процессы электронного транспорта в полимерных ди-
электриках. Дисс. на соиск. уч. степени докт. физ.-мат. наук. М.: НИФХИ им. Л.Я. Карпова, 2000.
27. Хатипов С.А., Жутаева Ю.Р. Релаксационная модель радиационно-индуцированной электропроводно-
сти полимеров. Высокомолек. соед. А, 2000, т. 42, № 8, с. 1366-1373.
28. Zhutayeva Yu.R., Khatipov S.A. Relaxation model of radiation-induced conductivity in polymers. Nucl. In-
strum. and Meth, in Phys. Res. B, 1999, v. 151, pp. 372-376.
29. Хатипов C.A., Едрисов A.T., Турдыбеков K.M., Милинчук В.К. Особенности кинетики радиационно-
индуцированной электрической проводимости полимеров. Химия высоких энергий, 1996, т. 30, №2,
с. 118-123.
30. Хатипов С.А., Турдыбеков К.М., Едрисов А.Т., Милинчук В.К. Роль молекулярной подвижности в пе-
реносе генерируемых излучением зарядов в полимерах. Высокомолек. соед. А, 1995, т. 37, № 10,
с. 1665-1671.
31. Берштейн В.А., Егоров В.М. Дифференциальная сканирующая калориметрия в физикохимни полиме-
ров. Л.: Химия, 1990, 256 с.
ГЛАВА 1.13
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ
ДИЭЛЕКТРИКОВ
Тютнев А.П.1; Саенко В.С.2
1НПП Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики
2 Московский государственный институт электроники и математики
Список сокращений
КА космический аппарат
РФВ Роуза-Фаулера-Вайсберга (модель)
РЭ радиационная электропроводность
РЭП радиационно-электрический пробой
ЭВТИ экранно-вакуумная теплоизоляция
ЭСР электростатический разряд
ВВЕДЕНИЕ
Воздействие ионизирующих излучений на полимерные диэлектрики (в дальней-
шем полимеры) приводит к образованию заряженных частиц в объеме материала.
В результате концентрация носителей заряда в облучаемом полимере резко возрас-
тает, что, в свою очередь, вызывает значительный рост его электропроводности как
в процессе облучения, так и в течение некоторого времени после окончания воздей-
ствия радиации. Под радиационной электропроводностью (РЭ) понимают разность
между суммарной измеренной электропроводностью и исходной собственной элект-
рической проводимостью полимера в отсутствие облучения.
В данной главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных
исследований РЭ и заряжения полимерных пленочных материалов, применяемых в
378
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
конструкции космических аппаратов (КА). Рассматриваются также вопросы природы
электростатических разрядов, возникающих в диэлектрических покрытиях КА при
воздействии на них электронов горячей магнитосферной плазмы.
1.13.1. Математическое описание процессов объемной электризации
диэлектриков
1.13.1.1. Модель Роуза-Фаулера-Вайсберга
Наиболее распространенной моделью РЭ полимеров считается модель Роуза-
Фаулера-Вайсберга (РФВ). Она базируется на физических идеях и математическом
аппарате зонной теории фотопроводимости кристаллических полупроводников и
диэлектриков, предложенной Роузом еще в 1953 г. [1].
Для объяснения степенной зависимости стационарной фотопроводимости от ин-
тенсивности света было использовано предположение об экспоненциальном рас-
пределении уровней прилипания (ловушек) в запрещенной зоне кристалла. Эта
идея оказалась настолько удачной, что сохранилась в неизменном виде до настояще-
го времени. Фаулер установил, что такой же характер носит зависимость стационар-
ного тока от интенсивности ионизирующего излучения в полимерах [2]. Окончатель-
ный вид эта модель приобрела в работах Вайсберга [3].
Согласно модели РФВ ионизирующее излучение создает пары свободных зарядов
(т. е. зарядов, движущихся под действием только внешнего электрического поля), из
которых подвижными являются только электроны. Образовавшиеся дырки не при-
нимают участия в переносе электрического тока и служат центрами рекомбинации.
Первоначально электроны возникают в подвижном состоянии с микроскопической
подвижностью Цо, но их движение происходит в присутствии многочисленных лову-
шек, глубина которых распределена в широком энергетическом интервале по экспо-
ненциальному закону.
В среднем каждый электрон проводит в зоне проводимости очень короткий отре-
зок времени (не больше 1 нс), испытывая при этом дрейфовое смещение в приложен-
ном электрическом поле и, таким образом, создавая вклад в ток во внешней цепи.
После захвата на ловушку электрон временно не участвует в переносе тока. Это про-
исходит до тех пор, пока он снова не окажется заброшенным в зону проводимости за
счет энергии теплового движения. Время жизни электрона на ловушке зависит от ее
глубины и температуры. Таким образом, движение электронов (диффузия и дрейф)
по объему полимера происходит путем последовательных актов захвата на ловушки
и термического освобождения с них. По этой причине модель РФВ известна (особен-
но за рубежом) также как теория многократного захвата.
Отсутствие пространственной зависимости в модели отражает тот факт, что рас-
сматриваемое явление относится к неограниченной среде, в которой существует по-
стоянное и однородное электрическое поле, причем само облучение однородно по
объему, постоянно по интенсивности и не сопровождается ослаблением излучения по
глубине полимера (объемные заряды, искажающие приложенное электрическое поле,
не образуются). Таким образом, как во время облучения, так и после его окончания
образец полимера остается электрически нейтральным.
ГЛАВА 1.13
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИДИЭЛЕКТРИКОВ
379
Подобная физическая картина радиационной электропроводности полимеров
является значительно упрощенной. Однако она позволяет описать большое число
экспериментально наблюдаемых результатов.
По определению радиационная электропроводность:
Ш = epo^oW, (1.13.1)
где No(t) - концентрация электронов в проводящем состоянии с микроскопической
подвижностью Цо (т. е. фактически в зоне проводимости).
Примем следующие обозначения: N(f) - полная концентрация основных носите-
лей заряда (в дальнейшем - электронов); g0 - скорость объемной генерации носите-
лей заряда; кг - коэффициент объемной рекомбинации подвижных электронов с дыр-
ками, выступающими в качестве центров рекомбинации; кс - константа скорости
захвата квазисвободных электронов на ловушки; Mq - суммарная концентрация ло-
вушек, экспоненциально распределенных по энергии (Е > 0 и отсчитывается вниз от
дна зоны переноса); р(Е, t) - энергетическая плотность распределения захваченных
электронов; Vo - эффективный частотный фактор термического освобождения носи-
телей заряда из ловушек; Е\ - параметр экспоненциального распределения ловушек
по энергии.
Тогда система уравнений модели РФВ будет иметь следующий вид:
dN(t) , ч
—— = go
at
= Wo (О I ехр(-Е / Ех) - р(Е, 0 | - v0 ехр(-Е / кТ) р(Е, t), (1.13.2)
с/ Л, J
00
W) = 7Vo(O+ \?(E,t)dE.
О
Принимается, что дырки стабилизируются в момент их рождения и участия в
переносе электрического тока не принимают, а скорость объемной генерации носи-
телей заряда в процессе облучения постоянна.
Первое уравнение в системе (1.13.2) описывает изменение полной концентрации
электронов в результате их генерации ионизирующим излучением и последующей
убыли за счет бимолекулярной рекомбинации. При этом учитывается, что в условиях
квазинейтральности полные концентрации электронов и дырок равны друг другу.
Два последних уравнения системы, известные также как уравнения многократно-
го захвата, описывают стохастические процессы захвата квазисвободных электронов
на ловушки и последующего их термического освобождения. Примечательно, что
перераспределение электронов по ловушкам происходит только с участием зоны
проводимости. Прямой обмен электронов между ними не рассматривается.
Система уравнений (1.13.2) характеризуется четырьмя критериальными парамет-
рами: а = кТ1Е\, у = кс/kr, 6 = gQTQ/MQ и P = (voto)~1, где т0 = (^сМ))~1 - время жизни
квазисвободных электронов до захвата. Основное значение среди них принадлежит
дисперсионному параметру а. Как правило, его величина не превышает 0,5. Частот-
ный фактор Vo < Ю8 с"1, а т0 < Ю“10 с, так что Р» 1. Кроме того, следует иметь в виду,
380
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙСРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
что при диффузионном характере движения носителей заряда в полимерах кс, как
правило, много меньше к„ так что у«с 1. Стационарное значение РЭ при таких допу-
щениях равно:
z \Д z \аД
кг (из.з)
атс krMQ J \кс)
где А = (1 + а)"1.
Как видно из этой формулы, зависимость стационарной РЭ от скорости объемной
генерации носителей является степенной yr ocg^. Анализ системы (1.13.2) показы-
вает, что если а < 1 и у < 1 одновременно, то переходной ток в системе носит немо-
нотонный характер. Максимальное значение радиационной электропроводности угт и
время его достижения tm определяются следующими соотношениями:
Ут,
(1-а)А z
I - £>(а) f v0
• Yr =77—SoMoV-------г
I С(а)
\ аД
(1.13.4)
tm = C(a)v''
Mokcvo
Sokr
(1.13.5)
причем
У™/™ =£»(а)^.
К.
(1.13.6)
Значения коэффициентов a, 5(a), С(а) и £)(а), используемых в приведенных вы-
ше формулах, а также расчетные и полученные экспериментально для некоторых
диэлектрических материалов значения отношений угт1уг даны в табл. 1.13.1. Ука-
занное отношение получено для у = кс!кг = 0,01.
Таблица 1.13.1
Численные значения параметров РЭ
a 5(a) C(a) Z)(a) Улп/Уг (расчет) Irm^r (эксперимент)
0,0 1,00 0,0624 0,0624 100
0,05 0,858 0,065 0,066 55,3 40 (ПЭТФ°)
0,1 0,783 0,144 0,111 33,9
0,2 0,718 0,368 0,250 15,5
0,3 0,700 0,634 0,394 8,35
0,35 0,702 0,750 0,440 6,55 5,6 (ПС0)
0,4 0,704 1,015 0,586 5,07
0,5 0,725 1,540 0,827 3,37 10 (ПЭНП0)
0,8 0,888 4,180 1,72 1,48
0,95 1,063 6,530 2,33 1,19
°ПЭТФ - полиэтилентерефталат; ПС - полистирол; ПЭНП - полиэтилен низкой плотности.
ГЛАВА 1.13 ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ 381
Для ланжевеновского механизма рекомбинации (кг = е\х^/££о) формула (1.13.6)
приобретает практически универсальный вид:
yrw = jD(a)££0. (1.13.5)
Здесь ££о - абсолютная диэлектрическая проницаемость полимера.
1.13.1.2. Моделирование процессов заряжения полимерных пленок
При проведении лабораторных экспериментов по изучению объемного заряжения
диэлектриков при воздействии на них потоков ионизирующих излучений используют
три основных подхода.
1. Режим равномерной высокоэнергетической инжекции, впервые проанализи-
рованный Евдокимовым [4, 5] и обстоятельно исследованный томской группой фи-
зиков [6]. В этом случае предполагается, что как мощность дозы так и скорость
объемной инжекции избыточных носителей заряда Qo постоянны по толщине облу-
чаемого слоя. Очевидно, что этот режим реализуется при толщине диэлектрика h
много меньшей длины пробега частиц 1т.
2. Режим заряжения, при котором происходит полная остановка заряженных час-
тиц (электронов, протонов и др.) в диэлектрическом слое. На основе этого режима
заряжения Гроссом [7] был предложен метод, получивший название расщепленного
цилиндра Фарадея (или метода нестационарных токов [8]). В этом случае на облу-
чаемую поверхность диэлектрического образца наносится тонкий металлический
электрод. Производится измерение токов, текущих на общую нулевую шину с этого
электрода и с электрода, нанесенного на тыльную поверхность образца.
3. Режим заряжения диэлектрического слоя с открытой облучаемой поверхно-
стью, когда облучаемый электрод отсутствует. В этом случае, как и в предыдущем,
предполагается полная остановка заряженных частиц в диэлектрическом слое.
Ниже приведены расчеты внутренних электрических полей в облучаемых ди-
электриках для всех трех режимов заряжения.
Случай равномерной высокоэнергетнческой инжекции
Наиболее обстоятельное рассмотрение этого вопроса дано в монографии [9], где
получено точное стационарное решение задачи для диэлектрика, облучаемого быст-
рыми электронами, при условии, что основными носителями заряда являются элект-
роны.
Распределение напряженности электрического поля внутри диэлектрика имеет
следующий вид:
F(x) = ^,
У,
где х - отсчитывается от средней плоскости слоя; уг - установившееся значение радиа-
ционной электропроводности, Qo = -е50, где 50 - скорость инжекции электронов (50 0),
е - заряд электрона. Электрическое поле F(x) максимально при х = +h/2, так что
1-Ж
где h - толщина диэлектрического слоя.
382
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Обычно в эксперименте для изменения Qo просто варьируют плотность тока пер-
вичных электронов Jq > 0 (2о х Л)- Тогда, учитывая, что уг ос Rq ос J*9 найдем:
р ОТ /1-Л _ га/(1+а)
Это типичная нелинейная зависимость Fmax от которая очень часто наблюда-
ется экспериментально. При а « 0 Fmax вообще перестает зависеть от плотности тока
первичных электронов. При а = 0,5 Fmax ос J®’33.
На практике параметры Аг и А в зависимости yr = АГР^ (go^So), а также а опре-
деляются экспериментально. Однако здесь необходимо проявлять осторожность. Де-
ло в том, что радиационная электропроводность при непрерывном облучении
(7?о = const) проходит через максимум угт в момент времени tm, причем угт =АтЯ^.
Время достижения максимума при Rq< 10Гр-с”1 достаточно велико (от единиц до
сотен секунд), а дальнейший спад уг сильно затянут. По мере набора образцом поли-
мера поглощенной дозы ионизирующего излучения параметры Аг и А в зависимости
yr - ArR^ (go^>So), а также а существенно меняются. Для большинства технических
полимеров Аг снижается в 5-50 раз при поглощенной дозе 1 МГр, при этом а -> 0 и
Д -> 1, а зависимость радиационной электропроводности от электрического поля
становится линейной.
Как правило, в этом режиме учет других механизмов проводимости (темновой,
инжекционной с электродов) необязателен, ввиду доминирующей роли радиаци-
онной электропроводности.
Расщепленный цилиндр Фарадея
Анализ этого режима заряжения удобно провести для электронов с энергией
10-100 кэВ, для которых практически отсутствует влияние внутренних электриче-
ских полей на длину их полного (по траектории движения) пробега. Кроме того,
именно для электронов этой группы (с энергией 40 кэВ) выполнены расчеты по ме-
тоду Монте-Карло кривых ослабления тока пучка J\x) и глубинного хода дозы
g(x) [10], играющих решающую роль в формировании профиля электрического поля
внутри диэлектрика.
Одномерный характер решаемой задачи позволяет воспользоваться первым
интегралом уравнений Максвелла, согласно которому сумма всех токов переноса и
тока смещения в рассматриваемой плоскости х есть полный ток /z, не зависящий от
координаты. Пренебрегая диффузионной компонентой тока и собственной тем-
новой электропроводностью полимера, получим, что внутри диэлектрика выра-
жение для полного тока в стационарном случае имеет вид (/о - плотность тока
инжекции, равная плотности тока пучка JQ минус ток отраженных быстрых элект-
ронов [7]):
4 = Yr(x)F(x) + /0/(x).
В простейшем случае (4 = 0, уr (х) = KrR(x) = KrR(fd)g(x), где Kr = const и 7?(0) -
мощность дозы у облучаемой поверхности) для 0< х < I электрическое поле опреде-
ляется по формуле:
ГЛАВА 1.13 ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ 383
KrR(0) g(x)’
и не зависит от плотности тока пучка электронов, поскольку IQ/R(0) - const.
Поле в необлучаемой области диэлектрика определяется характером проводи-
мости в ней (омическая, инжекционная или автотермоэлектронная проводимость) и
вычисляется из граничного условия:
]>(х)4/г = 0.
Объемное заряжение полимеров с открытой поверхностью
Наиболее интересен с практической точки зрения случай, когда 1т h. Очевидно,
что с точки зрения достижения квазистационарного режима облучения роль радиа-
ционной электропроводности резко снижается. На первый план выступают процессы
вторичной электронной эмиссии или темновой проводимости диэлектрика. Ограни-
чение заряжения диэлектрика за счет вторичной электронной эмиссии с облучаемой
поверхности существенно в высокоомных диэлектриках типа политетрафторэтилена,
полиэтилена, лавсана, полистирола или пропилена с очень низкой темновой прово-
димостью (yj< 10~16 Ом’^м’1). В этом случае за счет повышения потенциала поверх-
ности и снижения энергии электронов, достигающих облучаемого диэлектрика, от
20-50 до единиц кэВ коэффициент вторичной электронной эмиссии приближается к
единице, и достигается квазиравновесное состояние.
В технических диэлектриках с yj > 10~12 Ом’^м”1 значительная часть падающих
электронов отводится к тыльному электроду за счет темновой проводимости, что
способствует приближению к квазиравновесию. При этом вклад эмиссионного меха-
низма сброса заряда в окружающее пространство обычно невелик, но может быть
учтен в явном виде.
В облучаемых достаточно толстых диэлектриках (Л> 100 мкм) инжекционной и
термоавтоэлектронной проводимостью, как правило, можно пренебречь.
Потенциал поверхности диэлектрика приблизительно равен:
<p = F*(A-/(Ec-e<p)),
где напряженность электрического поля Fh = (1 - о) /0/у</ (п - коэффициент вторич-
ной электронной эмиссии).
Будем использовать для описания зависимости длины пробега электронов и
коэффициента вторичной электронной эмиссии от их энергии следующие форму-
лы [10, 11]:
/ш(£с) = /0 —- , где /0 = 40 мкм и £е0 = 50 кэВ;
ИсО )
\О,35
о(^) = 1,11ои
(Ее 10 кэВ),
где для модельного полимера (типа ПЭТФ) = 2,1 и Ет = 0,15 кэВ.
384 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
При энергии падающих электронов ~2 кэВ о/и ~ 1,0. Это приводит к тому, что при
низкой проводимости в необлучаемой области энергия падающих электронов снижа-
ется до 2 кэВ, и напряженность поля в этой области становится равной:
£ -2кэВ £ -2кэВ ,
F. = —£« —--------------, так как 1(2 кэВ) «с h.
Л-/(2 кэВ) h
Таким образом, предложены простые теоретические подходы к расчету внутрен-
них электрических полей в диэлектрических средах, подвергающихся воздействию
ионизирующих излучений с различной проникающей способностью и рассмотрены
три основные схемы эксперимента, наиболее часто встречающиеся при проведении
исследований, направленных на выяснение вопроса о влиянии внутренних электри-
ческих полей на заряжение полимерных диэлектрических материалов. Подробное
изложение материала настоящего раздела приведено в [12].
1.13.2. Экспериментальные исследования радиационной электропроводности
1.13.2.1. Лабораторная установка
Для исследования РЭ полимеров, определения подвижности носителей заряда и
изучения объемного заряжения диэлектриков низкоэнергетическими электронами
была создана установка на базе электронно-лучевого агрегата для микросварки
ЭЛА-50/5. Внешний вид установки и ее блок схема представлены на рис. 1.13.1 и
рис. 1.13.2.
Параметры установки:
• энергия электронов 0,5-50 кэВ;
• режимы облучения - импульсный с длительностью импульса 10”6-10~3с и
непрерывный;
Рис. 1.13.1. Общий вид установки ЭЛЛА-50/5 для исследования РЭ
полимерных материалов
ГЛАВА 1.13 ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ 385
• мощность дозы электронного излучения 10-,-106 Гр-с"1;
• вакуум в рабочей камере 2-10’5 торр;
• диапазон температур образца 150-500 К.
Установка снабжена компьютерной измерительной системой, осуществляющей
также запуск пучка электронов. Предусмотрена защита измерительной системы от
перегрузок, возникающих при пробоях полимерных образцов.
Рис. 1.13.2. Упрощенная схема установки: 1 - электронная пушка;
2 - высоковольтный источник питания; 3 - модулятор; 4 - задающий генератор;
5, 6 - осциллографы; 7 - диафрагма; 8 - заслонка; 9 - исследуемый образец с
напыленными электродами; 10 - цилиндр Фарадея; 11 - вакуумные токовводы;
12 - рабочая камера; 13 - источник питания
Образцы полимеров диаметром 40 мм вырезались из технических пленок. На них
методом термического распыления серебра в вакууме наносились электроды диамет-
ром 30 мм. Толщина пленок составляла от 10 до 30 мкм.
1.13.2.2. Экспериментальные результаты и их анализ
Полученные экспериментальные данные представлены в табл. 1.13.2. Исследо-
ванные зависимости РЭ от времени проходили через максимум для ряда полимеров
(1-9), а в остальных случаях (10-15) наблюдался слабый рост РЭ со временем. В таб-
лице приведены значения параметров Д и Ат, характеризующих зависимость от мощ-
ности дозы облучения Ro:
Y rm — Ат R(\ •
• rm т и
Значения Ат дано для мощности дозы 2-Ю2 Гр-с"1 (для образца ПК - при 10 Гр-с’1
и длительности облучения 4 мин).
Для образцов 1-9 значения параметров соответствуют максимуму временной за-
висимости, а для образцов 10-15 они измерены спустя 1 мин после начала облуче-
ния. Для полимеров 1-9 измеренные значения Д (±0,02) постоянны во всем интервале
мощности дозы. В остальных полимерах Д систематически снижается от 1,0 при
Ro = 0,1-102 Гр-с”1 к более низким значениям (0,8-0,6) при больших мощностях дозы
(в табл. 1.13.2 приведены значения Д для мощности дозы 30 Гр-с’1).
386
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.13.2
Характеристика образцов полимеров и данные по их РЭ
Полимер h, мкм Д а т 8 Ом‘‘-м-'(Гр-'-с)А
Полистирол (ПС) 20 0,70 0,35 1,8 1,1 6,03-10-13
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) 20 0,96 0,05 1,77 0,80 1,33-10’”
Полиэтиленнафталат (ПЭНФ) 27 0,98 0,05 1,60 0,6 1,4610’13
Полипиромеллитимид (ППМИ, Каптон) 25 0,82 0,25 1,68 0,8 0,83-10'13
Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) 20 0,67 0,5 1,47 0,7 1,35-10-12
Политетрафторэтилен (ПТФЭ) 20 0,90 0,1 1,0 0,0 2,08-10‘12
Полипропилен (ПП) 12 0,65 0,5 1,0 0,0 8,00-1043
Поливинилиденфторид (ПВДФ) 12 0,54 0,85 1,0 0,0 2,4-10’11
Поливинилфторид (ПВФ) 27 0,57 0,75 1,0 0,0 3,86-10‘12
Полиамид (ПА) 27 0,83 0,2 1,0 0,0 6,86-10‘14
Полиметилметакрилат (ПММА) 15 1,0 0 1,0 0,0 2,0-1044
Поливинилхлорид (ПВХ) 20 1,0 0 1,0 0,0 3,0-Ю’14
Поликарбонатдиана (ПК) 20 0,88 0,14 1,65 0,74 9,21-10"15
Полифенилхиноксалин (ПФХ) 20 1,0 0 1,0 0,0 1,4-10‘14
Бумага КОН 10 1,0 0 1,0 0,0 4,5-10'15
В слабых полях (напряженностью менее 5-106В-м~|) вольт-амперная характе-
ристика РЭ подчиняется закону Ома. Для ее описания удобно ввести параметр т
(jrm - плотность тока РЭ в максимуме):
d(\nFoy
Для значений поля в области вблизи Fq выполняется соотношение Из-
вестно, что подобная зависимость переходного тока обусловлена ростом скорости
генерации g0 увеличении электрического поля, тогда 8 = (>и-1)/Д.
Значения 5 и т также приведены в табл. 1.13.2 для Fo = 3-107 В-м’1 (для образца ПК -
8107 В-м’1).
ГЛАВА 1.13
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
387
На рис. 1.13.3 приведены кривые пе-
реходного тока в ПЭТФ при трех зна-
чениях мощности дозы: 740 Гр-с’1 (1),
74 Гр-с"1 (2) и 7,4 Гр-с"1 (3). Стрелками
показаны моменты времени достижения
максимума тока. Для кривой 1 истинное
значение времени достижения максиму-
ма искажено инерционностью процесса
перемещения заслонки. Исправленная с
учетом этого фактора кривая Г показана
пунктиром. Снижение РЭ ПЭТФ дости-
гает 40 раз за время облучения 1 час при
мощности дозы 740Гр-с~|, при этом
ПЭТФ сохраняет ярко выраженный не-
линейный характер вольт-амперной ха-
рактеристики вплоть до дозы облучения
4-Ю5 Гр, хотя при дозе 2,3-106Гр он
практически пропадает.
На рис. 1.13.4 приведена кривая
переходного тока в пленке ППМИ тол-
щиной 15 мкм, при мощности дозы
300 Гр-с"1 и напряженности электриче-
ского поля 4-107В-м~|. В отличие от
ПЭТФ в нем РЭ спадает только на самом
раннем этапе облучения, а потом, начи-
ная с момента времени 20 с, резко уве-
личивается со временем облучения, что
связано с образованием в нем метаста-
бильной полисопряженной структуры,
легко разрушающейся при напуске воз-
духа (кислорода).
При повторном облучении макси-
мальное значение тока никогда не пре-
вышает значения, зарегистрированно-
го в конце предыдущего облучения. На
рис. 1.13.5 показаны кривые переходного
тока при последовательном облучении
ПС (1,2) и ПЭНП (3-7) электронами с
мощностью дозы 74 (ПС) и ЗЗОГр-с’1
(ПЭНП) длительностью приблизительно
30 (ПС) и 100 с (ПЭНП) при интервале
времени между отдельными прогонками
порядка 1 мин и электрическом поле
4107Вм-1.
Рис. 1.13.3. Кривые переходного тока
в ПЭТФ
Рис. 1.13.4. Кривая переходного тока
в пленке ППМИ
Рис. 1.13.5. Кривые переходного тока
при последовательном облучении
ПС (1,2) и ПЭНП (3-7)
388
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.13.3. О природе электростатических разрядов в диэлектриках
В настоящее время надежно установлено, что на КА, эксплуатируемых на геоста-
ционарной и высокоэллиптических орбитах, возникают электрические потенциалы
~10 кВ [13-16]. При этом случае на внешней поверхности КА могут происходить
электростатические разряды (ЭСР) длительностью в несколько микросекунд. Пико-
вое значение тока разряда может достигать 102 А, что приводит к излучению в про-
странство значительной электромагнитной энергии, т. е. сопровождается генерацией
электромагнитной помехи для бортовой аппаратуры КА.
Можно выделить два основных типа ЭСР: объемный (сквозной) пробой от
поверхностно заряженного диэлектрического слоя на металлическую подложку и
скользящий вдоль поверхности диэлектрика пробой вакуумного промежутка между
соседними участками поверхности или соседними проводящими (но изолирован-
ными друг от друга) элементами конструкции. Оба типа разряда, в особенности
последний, сопровождаются выбросом плазмы в окружающее пространство.
Сквозные пробои на подложку обычно встречаются в случае диэлектриков с
двухсторонней металлизацией. При облучении диэлектрика с открытой поверхно-
стью они наблюдаются в тех случаях, когда величина пробега электронов сопоста-
вима с толщиной диэлектрического слоя. При значительной толщине слоя более
вероятно развитие скользящих пробоев с выбросом плазмы в окружающее про-
странство.
Определение параметров разрядных токов и их природы проводится, как
правило, на отдельных образцах открытых диэлектрических покрытий, нанесен-
Рис. 1.13.6. Блок-схема эксперимента
по определению параметров ЭСР
ных на металлическую подложку с низ-
ким потенциалом, при их облучении на-
правленным потоком электронов с энер-
гией 20-50 кэВ. На рис. 1.13.6. приведена
схема экспериментальной установки, где
показаны: 1 - стенки вакуумной камеры
(заземлены); 2 - коллиматор (при необхо-
димости убирается); 3 - передняя маска
(металлическая); 4- диэлектрик; 5 - ох-
ранное кольцо; 6 - кольцевой электрод
под маску; 7 - тыльный электрод.
Сразу надо отметить, что с помощью
такой методики трудно провести оценки
электризации диэлектрических покрытий
на борту КА, поскольку используются
пучки моноэнергетических электронов с энергией 10-30 кэВ (наличие спектра энер-
гий принципиально важно), при плотности тока 10”9-10"7 А-см"2 (вместо Ю”10 А-см"2
в случае суббури) и чаще всего при закорачивании подложки на землю (измеритель-
ное сопротивление порядка 10 Ом). Тем не менее для разработки модели заряжения
(в частности, определения необходимых констант материалов) и изучения физики
пробоя подобные эксперименты представляют определенный интерес.
ГЛАВА 1.13
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
389
Характерным для импульсных разрядов является наличие квазистационарной по-
лочки тока разряда (от 30 до 200 нс) и последующего за ней всплеска тока величиной
10-40 А. Такой характер тока типичен для взрыва микроострия в вакууме при проте-
кании автоэмиссионного тока. Ток автоэмиссии разогревает острие, оно разрушается
с образованием плазменного факела. Расширение образованной плазмы может при-
водить к возникновению цепей разряда между другими заряженными пленками,
входящими в пакет экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), а при формирова-
нии плазмы на верхнем слое ЭВТИ - к эмиссии электронов наружу.
Анализ проведенных экспериментов [17, 18] показывает, что плотность тока авто-
эмиссии 2,5-107-1,5-108 А-см’2, радиус эмиттера при токах 1-3 А составил 0,3-15 мкм.
При коэффициенте концентрации поля 40-200 количество испаренных атомов
Ю10-2-Ю13, при этом полный электронный заряд в плазменном факеле составит
3-10”9-3-10”6 Кл. Его достаточно, чтобы объяснить многообразие зарегистрирован-
ных изменений потенциалов модели от 100 В до 20 кВ. При скорости расширения
плазменного факела 2-104 м-с”1 он расширяется до 20 см. Электроны с внешней гра-
ницы плазмы эмитируются в окружающее пространство, а ионы - на поверхность
образца, снижая его потенциал. В цитируемых работах делается вывод о природе
наблюдаемых ЭСР как искровых скользящих разрядах вследствие формирования
локальной разности потенциалов. При этом локальная напряженность электрическо-
го поля достигает (0,8-4)-107 В-см’1, что превышает электрическую прочность мате-
риала и достаточно для формирования автоэмиссионных токов, пробоя вакуумных
промежутков и развития разрядов по поверхности диэлектрика.
Следующее наблюдение [19, 20] (см. также [21]) очень важно. Облучение пуч-
ком электронов диэлектрических пленок толщиной до 100 мкм приводит к разви-
тию ЭСР лишь в том случае, если напряженность электрического поля в объеме
достигает пробивного значения (2-3)-106 В-см’1. Края пленки тщательно экраниро-
ваны от воздействия электронного пучка, а при разряде происходит пробой пленки
через ее объем.
Стандартное объяснение наблюдаемых результатов состоит в следующем. По ме-
ре облучения происходит накопление электронов на некоторой глубине в диэлектри-
ке (3-10 мкм), потенциал открытой поверхности снижается и стабилизируется в рай-
оне Ф5 = (£е - £52) / е обычно на 2-5 кВ
ниже энергии электронов (как правило,
20 кэВ). При наличии заземленной мас-
ки в форме кольца диэлектрическая
поверхность начинает разряжаться на
маску. При подобных ЭСР происходит
сброс большой доли накопленного за-
ряда (от 30 до 90%). На глубине залега-
ния заряда наблюдаются каналы разря-
да с выходом на поверхность. На
рис. 1.13.7 показана полученная с по-
мощью сканирующего электронного
микроскопа фотография разрядных ка-
390
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.13.8. Схема развития ЭСР
с выбросом заряда на поверхность
налов в пленке ПЭТФ толщиной 50 мкм, об-
лученной электронами с энергией 20 кэВ при
плотности тока пучка 80 нА-см’2 [22]. Глубина
залегания слоя разрядных каналов составила в
этом случае не более 2 мкм.
Предполагаемая картина развития ЭСР с
выбросом заряда в окружающее пространст-
во [22] показана на рис. 1.13.8, где 1 - поток
плазмы с избыточным электронным зарядом;
2 - плазма разряда в канале пробоя; 3 - точка
локального пробоя; 4 - внедренный заряд
электронов; 5 - подложка.
Скорость распространения фронта разряда
под поверхностью достигает (2-5)-105 м-с’1.
Во время пробоя происходит образование плазменного факела с некоторым избыточ-
ным электронным зарядом, и в камере регистрируется импульсное возрастание дав-
ления. Решающая роль заземленной маски в этих разрядах несомненна. При ее уда-
лении и облучении только центральной части диэлектрического покрытия пробои не
наблюдаются, и для их появления необходимо увеличить плотность тока электронов
(по всей видимости, в этом случае опять происходит скользящий разряд, только те-
перь не на маску, а на вакуумную камеру или ближайший заземленный объект). Ме-
ханизм разогрева и нарастания тока связан теперь с концентрацией токов избыточ-
ных электронов под поверхностью в канале разряда, место выхода которого на по-
верхность, возможно, связано также с микродефектами поверхности.
Вместе с такой моделью ЭСР обсуждается и так называемая модель «нейтраль-
ной» зарядки [6, 23] (см. также гл. 1.11). Центральное место в этой модели занимает
предположение об образовании двойного электрического слоя на поверхности ди-
электрика. Считается, что он образуется слоем электронов на глубине их пробега и
поверхностным слоем положительных ионов, возникших после выхода вторичных
электронов из образца (глубина их выхода не превышает 0,1 мкм). В рамках этой мо-
дели потенциал поверхности уже не играет решающей роли, так как считается, что
пробой происходит внутри образца у его поверхности и является, таким образом,
внутренним свойством самого материала. Он может произойти, если потенциал по-
верхности составляет всего 500 В (при этом напряженность поля в двойном электри-
ческом слое толщиной 1 мкм равна 5-Ю6 В-см”1). Именно для этого типа разряда бы-
ло предложено название радиационно-электрического пробоя (РЭП) [6] или разряда
диэлектрик-вакуум с выбросом заряда в окружающее пространство [23].
Согласно [6, 23], это явление обусловлено, с одной стороны, усилением эмиссии
приповерхностным полем, направление которого способствует ускорению свобод-
ных электронов в сторону открытой поверхности, а с другой стороны - ростом вели-
чины приповерхностного поля при увеличении тока вторичной эмиссии. Между на-
пряженностью поля вблизи поверхности и эмиссионным током образуется положи-
тельная обратная связь, которая способствует самопроизвольному нарастанию этих
параметров вплоть до пробоя.
ГЛАВА 1.13
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
391
Факт увеличения вторичной электронной эмиссии (т. е. возрастания коэффициен-
та вторично-электронной эмиссии) по мере заряжения диэлектриков электронами
(или его снижения при их заряжении протонами) твердо установлен [6]. А вот пред-
положение о наличии автоускоряющейся фазы нарастания тока вторичной эмиссии и
связанном с ней развитии эмиссионно-полевой неустойчивости в приповерхностной
области диэлектрика требует убедительного подтверждения.
Известно много примеров из литературы, когда облучение больших листов ди-
электрических покрытий (—0,5 м2) коллимированными пучками электронов диамет-
ром до 30 см (энергия 20 кэВ, ток пучка 0,5 нА-см"2) по центру листа, так что края
находились далеко за пределами зоны облучения, могло продолжаться несколько
часов без каких-либо разрядов. Через некоторое время после начала облучения от-
рицательный потенциал поверхности достигал стационарного значения (~17 кВ) и
устанавливалось равновесие, определяемое балансом первичных и вторично-
эмиссионных токов. При этом создаются идеальные условия для реализации двойно-
го электрического слоя, когда поток электронов с энергией ~3 кэВ в точности урав-
новешивается потоком вторичных электронов с поверхности. Тем не менее разряды
отсутствовали. И только после нанесения заземленной маски в зоне облучения на-
чинались разряды, в том числе с выбросом плазмы в окружающее простран-
ство [19, 20].
Имея в виду тот факт, что инжектируемый заряд локализуется практически на по-
верхности, следует считаться также с возможностью выброса плазменного факела и в
случае сквозного пробоя, так как при этом наряду с образованием сплошного канала
пробоя наблюдается вынос расплавленного металла подложки на поверхность. Таким
образом, можно констатировать, что оба типа ЭСР (сквозной пробой и скользящий
вдоль поверхности разряд) сопровождаются, как правило, выбросом плазмы и заряда
в окружающее пространство. По всей видимости, отдельного разряда типа РЭП (или
диэлектрик-вакуум) не существует.
В ряде случаев, напыляя проводящий слой на поверхность диэлектрического ма-
териала и соединяя его с корпусом (подложкой) гальванически (сопротивление не
больше 1 МОм), удается устранить ЭСР вообще. Очевидно, что в этом случае карти-
на заряжения принципиально отличается от облучения диэлектрика с открытой по-
верхностью, так как теперь существует прямой путь для сброса заряда на заземлен-
ный (соединенный с корпусом объекта) облучаемый электрод за счет радиационной
электропроводности диэлектрика. Максимальное поле, существующее у переднего
электрода, просто равно F\ max - где JOe - плотность тока электронов, входящих
в образец, уг - радиационная электропроводность диэлектрика у переднего электрода
[24]. В худшем случае следует взять минимальную радиационную электропровод-
ность полярных полимеров, для которых yr = KrR, где Кг& 10'18 Ом-1-см"1-рад"1-с -
приведенная радиационная электропроводность, R - мощность дозы и Д« 1,0
[25, 26]. Мощность дозы однозначно связана с плотностью потока электронов и его
спектром, и для средней энергии электронов 10 кэВ (dE/dx^TA МэВ-см2-г-1) соста-
вит 200 рад-с"1 для JOe = Ю"10 А-см"2. Тогда Ет^ составит 5-Ю5 В-см"1, что ниже элект-
рической прочности полимерных материалов. Приведенные выше оценки относят-
ся к комнатной температуре. При понижении температуры до -150°С радиационная
392
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
электропроводность полимеров резко снижается. В этих условиях нельзя исклю-
чить возникновение пробоев через объем.
Подобный расчет интересен и в плане оценки падения напряжения в двойном
электрическом слое у диэлектрика с открытой поверхностью. Допустим, что устано-
вилось вторично-эмиссионное равновесие, и потенциал поверхности составляет от -5
до -15 кВ. Это означает, что на каждый падающий электрон испускается один вто-
ричный. Средняя энергия падающих электронов снижается до 2-3 кэВ. Соответст-
венно, dE/dx для электронов возрастает до 50-60 МэВ-см^г"1, и Flmax снижается
дополнительно в 2,5-3 раза. О развитии пробоя на облучаемую поверхность в этом
случае говорить не приходится. Падение напряжения в двойном электрическом
слое не превысит 4 В. Кроме того, толщина двойного электрического слоя 0,2 мкм
существенно ниже (1 мкм) критического значения, необходимого для образования
мощных лавин. Этот расчет также свидетельствует о невозможности пробоя типа
диэлектрик-вакуум.
В заключение следует еще раз подчеркнуть, что электрический пробой при ра-
диационном заряжении системы «металл-диэлектрик» имеет ряд особенностей,
отличающих его от классического электрического пробоя при импульсной экспо-
зиции напряжения (при этом мы имеем в виду специально поставленные лабора-
торные эксперименты) [27, 28].
При радиационном заряжении обычно имеется только один металлический элект-
род, находящийся, как правило, под потенциалом земли. Это либо металлическая
подложка, либо проводящая маска той или иной формы, металлическая сетка или
полоска. Внедренный заряд (чаще всего электроны) образует плоский, но распреде-
ленный по толщине диэлектрика слой объемного заряда. Как правило, он захвачен на
ловушки и является малоподвижным. Поэтому в случае пробоя возникает проблема
его нейтрализации, в чем-то напоминающая ситуацию с нейтрализацией объемного
заряда в главной стадии электрического разряда. Далее, количество электрической
энергии, доступной для использования в физико-химических процессах на различных
стадиях развития ЭСР, ограничено, так как никакого стороннего источника тока в
этом случае нет.
В отличие от фигур разряда, заполняющих межэлектродное пространство при
экспозиции напряжением, в случае ЭСР большая часть ветвистого дерева разряда
(за исключением самого канала) расположена в плоскости объемного заряда (т. е. в
плоскости, перпендикулярной каналу разряда).
При скользящем пробое (вдоль поверхности диэлектрика) мы сталкиваемся с
интересным явлением, когда один из этапов этого типа разряда включает в себя и
объемный пробой, поскольку избыточный заряд электронов расположен хотя и в
несколько диффузном (не плоском) слое, но на некоторой глубине внутри диэлек-
трика (от 0,5 мкм до нескольких микрометров). При скользящем пробое (перекры-
тии) между электродами этот этап разряда, естественно, отсутствует.
Отметим, что разработка новых диэлектрических материалов с оптимальной про-
водимостью может являться одним их путей борьбы с ЭСР. Такие материалы, пред-
назначенные, в частности, для изготовления печатных плат, должны оставаться ди-
электриками, не допускающими значительных паразитных токов утечки, и в то же
ГЛАВА 1.13
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
393
время их электропроводность должна быть достаточной для быстрой релаксации
объемных зарядов и исключения пробойных явлений. Необходимо, чтобы темновая
электропроводность такого материала имела значение ~1О"10 Ом^-м"1. Для сравне-
ния, электропроводность стеклотекстолита высоковольтного марки СТЭФ-1, кото-
рый используется для изготовления печатных плат, составляет 10"11 Ом'^м"1.
Для решения этой проблемы могут быть использованы полимерные материалы,
обладающие повышенной величиной РЭ. Эффективный способ повышения РЭ
полимерных диэлектриков - введение в их матрицу специальных добавок, не ухуд-
шающих темновые характеристики полимеров и одновременно эффективно за-
щищающих диэлектрик от возникновения сильных электрических полей при об-
лучении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Rose A. RCA Rev., 1951, v. 12, р. 362.
2. Fowler J.F. Proc. Roy. Soc., A236, 1956, p. 464.
3. Вайсберг С.Э. Радиационная физика полимеров. Под ред. акад. Каргина В.А. М., с. 376-443.
4. Евдокимов О.Б., Гусельников В.Н. Химия высоких энергий, 1974, т. 8, № 5, с. 423.
5. Евдокимов О.Б., Соловьев Ю.А. Изв. ВУЗов. Физика, 1980, № 5, с. 96.
6. Ягушкин Н.И., Графодатский О.С., Исляев Ш.Н., Сергеев А.И., Смекалин Л.Ф. В кн.: Исследования по
геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 86. М.: Наука, 1989, с. 131-168.
7. Gross В. Radiation induced charge storage and polarization. In: Electrets. Springer-Verlag, 1980, pp. 217-284.
8. Боев С.Г., Ушаков В.Я. Радиационное накопление заряда в твердых диэлектриках и методы его диаг-
ностики. М.: Энергоатомиздат, 1991, 240 с.
9. Тютнев А.П., Ванников А.В., Мингалеев Г.С., Саенко В.С. Электрические явления при облучении по-
лимеров. М.: Энергоатомиздат, 1985, 176 с.
10. Тютнев А.П., Доронин А.Н., Саенко В.С., Садовничий Д.Н., Пожидаев Е.Д. Космич. исследования,
2002, т. 40, №2, с. 142.
11. Gross В., Gerhard-Multhaupt R., Labonte К., Berraissoul A. Colloid and Polymer Science, 1984, v. 262, No 2,
p. 93.
12. Тютнев А.П., Саенко В.С., Пожидаев Е.Д., Костюков Н.С. Диэлектрические свойства полимеров в по-
лях ионизирующих излучений. М.: Наука, 2005, 454 с.
13. Whipple Е.С. Potentials of surfaces in space. Rep. Prog. Phys., 1985, v. 44, No 11, pp. 1197-1250.
14. Акишин А.И., Новиков Л.С. Физические процессы на поверхности искусственных спутников Земли.
М.: Изд-во МГУ, 1987, 89 с.
15. Милеев В.Н., Новиков Л.С. Физико-математическая модель электризации ИСЗ на геостационарной и
высокоэллиптической орбитах. В кн.: Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике солнца.
Вып.86. М.: Наука, 1989, с. 64-98.
16. Новиков Л.С. Физические механизмы радиационной электризации космических аппаратов. Космонав-
тика и ракетостроение, 2003, т. 30, № 1, с. 15-24.
17. Антонов В.М., Пономаренко А.Г., Графодатский О.С., Исляев Ш.Н. Исследования электризации моде-
лей космических аппаратов в лабораторных условиях. В кн.: Исследования по геомагнетизму, аэроно-
мии и физике солнца. Вып. 86. М.: Наука, 1989, с. 45-63.
18. Летин В.А. Проблемы электризации солнечных батарей космических аппаратов. Космонавтика и раке-
тостроение, 2003, т. 30, № 1, с. 43-53.
19. Fujii Н., Shibuya Y., Abe Т. et al. Electrostatic charging and arc discharges on satellite simulated by electron
beam. J. Spacecraft and Rockets, 1988, v. 25, No 2, pp. 156-161.
20. Frederickson A.R., Levy L., Enloe C.L. Radiation-induced electrical discharges in complex structures. IEEE
Trans. Electr. Insulation., 1992, v. 27, No 6, pp. 1166-1178.
394 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
21. Tyutnev А.Р., Khodnenko V.P., Sadovnichii D.N. et al. Proc. 6th Int. Symp. on Materials in a Space Envi-
ronment. ESTEC. Nordwijk, 1994, pp. 341-348.
22. Yadlowsky E.J., Hazelton R.C. Study of microdamage in dielectric discharges. J. Spacecraft and Rockets, 1979,
v. 26, No 6, pp. 5134-5140.
23. Бабкин Г.В., Гостищев Э.А., Смекалин Л.Ф., Шошин Э.Б., Ягушкин Н.И. Условия возникновения низ-
ковольтных электрических дуг между элементами солнечных батарей при радиационной электризации
космических аппаратов. Космонавтика и ракетостроение, 2003, т. 30, № 1, с. 75-83.
24. Садовничий Д.Н., Тютнев А.П., Милехин Ю.М., Дорофеев А.Н., Саенко В.С., Пожидаев Е.Д. Электри-
зация полимерных диэлектриков потоками электронов на геостационарной орбите. Перспективные
материалы, 2004, № 2, с. 15-19.
25. Тютнев А.П., Ванников А.В., Мингалеев Г.С. Радиационная электрофизика органических диэлектри-
ков. М.: Энергоатомиздат, 1989, 192 с.
26. Садовничий Д.Н., Тютнев А.П., Хатипов С.А., Саенко В.С., Пожидаев Е.Д. Накопление объемных за-
рядов при облучении эпоксидного компаунда электронами в вакууме. Высокомолек. соед., А, 2003,
т. 45, № 2, с. 230-236.
27. Вершинин Ю.Н. Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых
диэлектриков. Екатеринбург, 2000, 258 с.
28. Месяц Г.А. Эктоны. М.: Наука, 2000, 424 с.
ГЛАВА 1.14
ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Шаварин Ю.Я.
Филиал Научно-исследовательского физико-химического института им. Л.Я. Карпова
Список сокращений
КА космический аппарат
ТРП терморегулирующие покрытия
УФ ультрафиолетовое (излучение)
ЭМИ электромагнитные излучения
э. с. с. эквивалентные солнечные сутки
э. с. ч. эквивалентные солнечные часы
ВВЕДЕНИЕ
Воздействие коротковолнового солнечного излучения на материалы, находя-
щиеся на внешних поверхностях космических аппаратов (КА), является одной из
важнейших причин изменения оптических, электрофизических и механических
свойств материалов. Многолетние исследования стойкости материалов к воздей-
ствию этого фактора, проводимые в Обнинском филиале НИФХИ им. Л.Я. Карпова,
где в 1989 г. был создан Межведомственный центр по космическому и радиацион-
ному материаловедению, позволили получить большой объем данных, характери-
зующих радиационную и фоторадиационную стойкость материалов [1]. Исследова-
ния воздействия электромагнитного излучения (ЭМИ) Солнца проводились вплоть
до энергетических экспозиций порядка 1000-1500 эквивалентных солнечных суток
396 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
(э.с.с.), что соответствует 7-16 годам пребывания материалов в условиях эксплуа-
тации, если они 25-40% времени находятся под прямым воздействием солнечного
излучения.
В настоящей главе приводятся результаты исследований применительно к усло-
виям космического пространства изменения свойств материалов разных типов под
действием ультрафиолетового (УФ) и рентгеновского излучения Солнца. Рассмат-
риваются преимущественно материалы, применяемые на внешних поверхностях
КА. Представлены как результаты оригинальных исследований, выполненных в
филиале НИФХИ им. Л.Я. Карпова, так и обзорные данные.
1.14.1. Исследование стойкости текстильных материалов
1.14.1.1. Методика испытаний
В филиале НИФХИ им. Л.Я. Карпова исследования проводились на установке
ИК-600/300, относящейся по существующей классификации к средним лаборатор-
ным установкам, предназначенным для многосуточной (а иногда - и многомесяч-
ной) имитации воздействия ЭМИ Солнца на большие группы образцов материалов.
Это высоковакуумная установка, имеющая 2 камеры объемом 300 и 600 л с 15 ми-
шенями размером до 300x300 мм в каждой. В качестве источников ЭМИ на этой
установке применяются ксеноновые дуговые лампы сверхвысокого давления типа
ДКсР-3000 и ДКсР-5000,'размещаемые в центре вакуумных рабочих камер. Техни-
ческие характеристики этих ламп и других источников излучения, используемых
для имитации ЭМИ Солнца, приведены в [2-7]. Приемники УФ-излучения (фото-
элементы, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи,
фоторезисторы, фотодиоды и др.) описаны в [4, 8-11].
Времена УФ-облучения на подобных установках составляют сотни и тысячи
часов, при этом облучение может вестись непрерывно или с перерывами. Темпе-
ратура образцов материалов при испытаниях контролируется либо поддерживает-
ся в нужном диапазоне с помощью устройств термостатирования.
Как правило, испытания проводятся ускоренно, т. е. при увеличенной интенсив-
ности воздействующего на образцы излучения относительно интенсивности сол-
нечного излучения на орбитах эксплуатации КА. Вопросы правомочности проведе-
ния ускоренных испытаний были исследованы в филиале НИФХИ им. Л.Я. Кар-
пова на образцах текстильных и пленочных материалов при длительном УФ-об-
лучении.
По результатам исследований изменения физико-механических, оптико-физи-
ческих и физико-химических свойств образцов технических текстильных матери-
алов толщиной порядка 100-300 мкм было показано, что при энергетических
экспозициях до 48 эквивалентных солнечных часов (э. с. ч.) возможно увеличение
интенсивности излучения в имитационной установке в 6-10 раз относительно ин-
тенсивности излучения Солнца в УФ-области спектра. Эти данные относятся к
облучению образцов в высоком вакууме при повышенных (~125°С) температурах.
ГЛАВА 1.14 ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОЛНЕЧНОГО ЭМИ 397
При испытаниях в аналогичных условиях особо термостойких технических тек-
стильных материалов при энергетических экспозициях до 720 и до 2400 э. с. ч. воз-
можно увеличение интенсивности до 9 и 6 раз соответственно.
1.14.1.2. Результаты испытаний
Сведения о светостойкости текстильных материалов различных типов (тканей,
нитей и т. п.) приводятся в работах [1, 12-19]. Установлено, в частности, что УФ-об-
лучение в вакууме при температурах до 125°С и энергетических экспозициях до
10-50 э. с. с. образцов капроновой ткани артикула 22189 и лавсановой ткани артикула
23457а приводит к изменению их прочности при разрыве на 45-55% и изменению
относительного удлинения до 60-80%. Эти ткани использовались для отделки внеш-
них поверхностей первых советских космических скафандров. Несколько меньшие
изменения указанных физико-механических характеристик получены для образцов
фенилоновой ткани артикула 23662.
В табл. 1.14.1 обобщены результаты выполненных в филиале НИФХИ им. Л.Я. Кар-
пова дальнейших исследований при энергетических экспозициях до 1200 э. с. с. све-
тостойкости текстильных материалов, предназначавшихся для использования на
внешних поверхностях различных изделий космической техники [16]. Приведен-
ные результаты получены при испытаниях образцов в высоком вакууме при макси-
мальной температуре 125°С.
По результатам проведенных исследований изменений физико-механических и
оптико-физических характеристик образцов текстильные материалы условно можно
разделить на три группы.
Первая группа включает материалы, сохраняющие стабильность характеристик
при энергетических экспозициях до 2400 э. с.ч., что может быть эквивалентно 1 году
нахождения на орбите:
• капроновая ткань артикула 56003;
• лавсановая ткань артикула 56038;
• стеклоткань ТСОН-СОТ М (бц).
Вторую группу составляют материалы, сохраняющие стабильность характеристик
при энергетических экспозициях порядка 8000 э.с.ч., или 365 э.с.с. (эквивалентно
3-4 годам пребывания на орбите):
• фенилоновые ткани;
• сульфоновые ткани;
• оксалоновые ткани.
Третья группа - материалы, сохраняющие стабильность характеристик при энер-
гетических экспозициях до 40000 э.с.ч. (эквивалентно 15-20 годам пребывания на
орбите при нахождении под прямым солнечным светом около 25% времени эксплуа-
тации):
• аримидные ткани,
• стеклоткани ТСОН-ИП «С» и ТСОН-ИП «3»,
• ткань «лола»,
• черная графитированная ткань УРАЛ-Т-22,
• терлоновые ткани.
398
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.14.1
Изменение характеристик текстильных материалов после УФ-облучения
Наименование и артикул ткани Максимальная энергетическая экспозиция, э. с. с. Относительные изменения характеристик,%
Ор Ер CCS
а? а/6*
Аримидная 5354-80 1170 0 -47 0,43 0,47
Аримидная 5380-77 350 +20 -55 0,25 0,35
Аримидная 5401/2-78 1 170 - - 0,43 0,47
Аримидная 56420 1200 - - 0,43 0,47
Аримидно-фенилоновая 5401/4-78 300 -10 -5 0,33 0,47
Аримидно-фенилоновая 5403 / 2-77 100 -25 -25 - -
Капроновая 22189 50 -5 -35 - -
Лавсановая 23457а 10 -50 -80 - -
Лавсановая 56038 180 -70 -70 0,16 0,67
Лола 5379-80 1200 - - 0,49 0,61
Оксалоновая 5377/3-78 180 -40 -20 0,17 0,53
Стеклоткань ТСОН-ИПЗ 940 - - 0,80 0,76
Стеклоткань ТСОН-ИПС 1040 - - 0,91 0,94
Стеклоткань ТСОН-СОТ(б) 300 -10 -50 0,09 0,37
Стеклоткань TCOH-COT М(бц) 360 - - 0,10 0,32
920 -40 -33 0,10 0,36
Сульфоновая 890 - - 0,21 0,55
Сульфон-Т 850 -7 -32 0,21 0,50
Терлоновая 5398-83 670 - - 0,23 0,40
Фенилоновая 23662 50 + 10 + 15 - -
Фенилоновая 5374-80 450 -5 -5 0,12 0,69
1070 -7 -10 0,17 0,59
Фенилоновая 5403/4-77 100 -40 -40 - -
1200 - - 0,17 0,59
Обозначения в таблице: ор - прочность при разрыве; ер - относительное удлинение при разрыве; а5° и
а^06" - коэффициент поглощения солнечной радиации до и после облучения.
Наметилось и новое направление исследований светостойкости полимерных ма-
териалов - исследования полимерных оптических волокон на основе полистирола,
полиметилметакрилата и др., применяемых в разных сочетаниях в системах волокон-
ной оптики.
ГЛАВА 1.14 ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОЛНЕЧНОГО ЭМИ 399
1.14.2. Воздействие ультрафиолетового излучения на неорганические
материалы
В работе [13] исследовалось изменение химического состава анодно-окисного
покрытия, изготавливавшегося на основе полированного алюминиевого сплава
АД1М с использованием азотнокислого стронция, после 100 часов воздействия
УФ-облучения при интенсивности, соответствующей интенсивности солнечного
излучения на околоземных орбитах. Облучение проводилось в высоком вакууме.
Образцы исследовались методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.
Изменение химического состава покрытий в результате УФ-облучения иллюстри-
руются табл. 1.14.2.
Таблица 1.14.2
Химический состав покрытия до и после УФ-облучения
Состав, % атомн.
А1 С О N S Sr
До облучения 1,7 33 61 4 о,3 вероятно присутствие
После облучения 3 55 37 4,8 0,2 вероятно присутствие
Обнаружено наличие различных гидроксильных групп в покрытии. Эти группы,
взаимодействуя между собой в результате УФ-облучения, приводят к уменьшению
содержания в составе покрытия кислорода на 24% атомн. и к образованию центров
окраски.
На описанной выше установке ИК-600/300 исследовано воздействие УФ-облуче-
ния в высоком вакууме при различных энергетических экспозициях на анодно-
окисные покрытия (АОП) четырех типов. Два из них (АОП-1 и АОП-2) первоначаль-
но имели серебристый цвет. Покрытие АОП-1 получено путем кратковременного
химического полирования при постоянном токе, а АОП-2 - белым анодированием
при переменном токе (так называемое «химическое фрезерование»). Покрытия
АОП-3 и АОП-4 (черные матовые) были получены путем химического травления с
последующей электрохимической обработкой.
Изменения коэффициента поглощения солнечного излучения и степени
черноты поверхности (коэффициента излучения) 8 указанных анодно-окисных
покрытий в результате УФ-облучения в высоком вакууме представлены в
табл. 1.14.3.
Таким образом, УФ-облучение образцов покрытий АОП-1 и АОП-2 (серебристые
покрытия) приводит к заметному увеличению коэффициента а$ при весьма малом
изменении коэффициента 8. Для покрытий АОП-3 и АОП-4 оба параметра остаются
достаточно стабильными. Вероятной причиной наблюдаемого увеличения коэффи-
циента as покрытий АОП-1 и АОП-2 можно считать, как и в работе [13], изменение
стехиометрического состава покрытий и образование за счет этого новых центров
окраски.
400
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.14.3
Изменения а? и е анодно-окисного покрытия АОП-1 после облучения ЭМИ
Покрытие Параметр Энергетическая экспозиция Es, э. с. с.
0 30 50 80 115
АОП-1 as 0,28 0,45 0,51 0,62 0,68
Е 0,27 0,27 0,29 0,27 0,27
АОП-2 а5 0,295 - 0,62 0,69 0,69
Е 0,74 0,72 0,70 0,69 0,69
АОП-3 а5 0,97 0,97 0,975 0,975 0,98
Е 0,935 0,965 0,95 0,95 0,97
АОП-4 а5 0,93 0,97 0,97 0,97 0,975
Е 0,925 0,94 0,92 0,935 -
Для пигментов, которые могут применяться при изготовлении терморегу-
лирующих и лакокрасочных покрытий, получены следующие значения приращения
коэффициента поглощения солнечной радиации Дос? при энергетической экспозиции
5 э. с. с.: ZnO - 0,01; MgTiO4 - 0,04; ВаСО3 - 0,04; TiO2 - 0,15; MgO - 0,15.
1.14.3. Изменение свойств полимерных материалов под действием
электромагнитных излучений
1.14.3.1. Полиолефины
Сведения о светостойкости полиолефинов различных марок приводятся в ра-
ботах [1, 14].
Полиэтилен
При воздействии рентгеновских лучей при значениях мощности дозы от 4-10"5 до
4 Гр/с было найдено [20], что электропроводность полиэтилена низкого давления
растет с увеличением мощности дозы на 4-5 порядков. Толщина пленок при этом
не играет роли.
При УФ-облучении протекают процессы как деструкции, так и сшивки мо-
лекул. Соотношение этих процессов зависит от степени кристалличности мате-
риала. При облучении в азоте полиэтилен разрушается быстрее, чем при облуче-
нии в вакууме (по изменениям прочности и относительного удлинения при
разрыве). Отмечается также, что изменения физико-механических свойств усили-
ваются с уменьшением длины волны используемого УФ-излучения. Основными
продуктами разложения полиэтилена при УФ-облучении являются водород и
метан.
ГЛАВА 1.14 ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОЛНЕЧНОГО ЭМИ
401
Полистирол
При облучении полистирола рентгеновским излучением с энергией квантов
130 кэВ его оптическая прозрачность почти не изменяется [21]. По этой причине при
небольших дозах (до 3-104 Гр) полистирол иногда рекомендуют как материал для
изготовления окон, прозрачных для ионизирующей радиации. Электропроводность
образцов полистирола при воздействии рентгеновского излучения с энергией 45 кэВ
увеличивается почти на 4 порядка с ростом интенсивности излучения до 0,4 Гр/с.
Хлорирование кольца в полистироле уменьшает УФ-стойкость получающегося
при этом материала, а сополимеры стирола с а-метилстиролом или с 2-винилнаф-
талином более устойчивы, чем полистирол.
Пол и-и-мет илст ирол
Кинетика фоторазложения этого материала была подробно исследована в [22], где
отмечалось, что в вакууме при 27°С квантовый выход случайных разрывов составля-
ет 10"3, а для образования мономера - 7-10"3 (при длине цепи осколка около
15 звеньев мономера). При 115°С квантовый выход разрывов составляет 2-10”2, а для
образования мономера - 0,5 (при длине цепи осколка около 25 звеньев мономера).
При этих двух температурах квантовый выход мономера не зависит от интенсив-
ности УФ-облучения.
Полиолефины можно расположить в следующий ряд по убыванию стойкости к
УФ-облучению: полистирол - поли-а-метилстирол - полипропилен - полиэтилен низ-
кого давления - сополимер этилена с пропиленом - полиэтилен высокого давления.
1.14.3.2. Кислородсодержащие пластики
Полиэтилентерефталат
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) - один из наиболее часто используемых на внеш-
них поверхностях КА материал. Различные аспекты воздействия ЭМИ на ПЭТФ рас-
сматривались в работах [14,21-23]. При воздействии на ПЭТФ квантов рентгенов-
ского излучения с энергией 45 кэВ электропроводность образцов увеличивается на
3-3,5 порядка с ростом интенсивности излучения до 0,4 Гр/с.
Изменения физико-механических свойств ПЭТФ, вызываемые воздействием
УФ-излучения, показаны в табл. 1.14.4. Обнаружено также, что светопропускание
пленок ПЭТФ при воздействии УФ-облучения в вакууме снижается.
Поликарбонат
Этот материал использовался в качестве остекления первых советских и амери-
канских космических скафандров. Поэтому конструкторов космической техники ин-
тересовали возможные изменения оптико-физических и физико-механических харак-
теристик этого материала.
Было найдено, что при малых экспозициях (до 72 часов) поликарбонат на основе
бисфенола-А характеризуется высокой стойкостью к воздействию УФ-излучения.
При более длительных экспозициях поверхность полимера растрескивается, а моле-
кулярный вес уменьшается.
402
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.14.4
Изменение физико-механических свойств пленки ПЭТФ при воздействии
монохроматического излучения с разными длинами волн
Количество падающей энергии, Дж/см2 Длина волны, нм Предел прочности при разрыве, кг/мм2 Модуль упругости при разрыве, 10"4 кг/см2 Относительное удлинение при разрыве, %
0 ОБЛУЧЕНИЕ В 12,17 АЗОТЕ 1,86 46
1269 369 14,12 0,93 36
3096 369 5,40 0,96 40
585 314 10,16 1,05 17
921 314 4,43 0,55 18
58 244 12,74 1,74 47
97 244 10,97 1,52 28
225 244 8,75 1,89 7
314 244 8,51 2,12 11
1375 1 244 ОБЛУЧЕНИЕ В ВАКУУМЕ | 4,61 | 1,00 1 "
При исследованиях светостойкости поликарбоната различных марок к воздейст-
вию УФ-излучения от лампы ПРК-2 в вакууме при 120°С и интенсивности излучения
0,022 Вт/см2 (что примерно в 2 раза превышает интенсивность солнечного излучения
в спектральном диапазоне лампы), обнаружено, что после 250 часов облучения пре-
дел прочности при растяжении и ударная вязкость светостабилизированного поли-
карбоната марки «Макролон» остаются без изменения, а относительное удлинение
падает на 18%, при этом нестабилизированный поликарбонат «Пенлайт» изменяет
свои характеристики более заметно, в основном, за счет процессов сшивания в поли-
мере. Существенно большая светостойкость поликарбоната марки «Макролон» после
таких экспозиций подтверждается и совсем небольшими (на 5-8%) изменениями оп-
тического пропускания, в то время как для «Пенлайта» эти изменения существенно
больше.
Полиорганосилоксаны
Сведения о светостойкости полиорганосилоксанов приводятся в работах
[1,24-28].
В [24] описаны результаты исследований влияния на светостойкость пленок из
таких материалов введения некоторых ароматических и других добавок. Исследова-
лись следующие группы кремнийорганических полимеров:
• полиметилсилоксан (ПМС);
• полиметилсилафлуоренилсилоксан (ПМФлС);
ГЛАВА 1.14 ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОЛНЕЧНОГО ЭМИ 403
• полиметилсилаоксадигидрофенантренилсилоксан (ПМФнС);
• полиметиладамантилсилоксан трифункциональный, адамантильные группы
присоединены через этиленовые мостики (ПМАдС-э-3);
• полиметиладамантилсилоксан тетрафункциональный, адамантильные группы
присоединены через этиленовые мостики (ПМАдС-э-4);
• полиметиладамантилсилоксан трифункциональный, адамантильные группы
присоединены через фениленовые мостики (ПМАдС-ф-3);
• полиметилфенилсилоксан (ПМФС);
• полиметилфенилсилафлуоренилсилоксан (ПМФФлС);
• полиметилфенилсилаоксадигидрофенантренилсилоксан (ПМФФнС);
• полиметилфенилсилаоксадигидроантраценилсилоксан (ПМФАнС);
• полиметилфениладамантилсилоксан тетрафункциональный (ПМФАнС-4).
Испытывались образцы полимеров в виде пленок толщиной ~10мкм, нанесен-
ных поливом на подложки из стекла, кварца марки КВ и алюминия марки Д-16. До
и после УФ-облучения исследовались интегральное и спектральное пропускание,
интегральный коэффициент отражения, изменения внешнего вида образцов, оцени-
валась адгезия к подложкам. Облучение образцов проводилось полным светом от
ксеноновых дуговых ламп сверхвысокого давления типа ДКсШ или ДКсР в кварце-
вой термостатируемой кювете (при этом лампы располагались вне кюветы), либо в
вакуумной камере из нержавеющей стали с термостатируемыми мишенями (при
этом облучающая лампа находилась внутри камеры). Температура при облучении
составляла 50-70°С, а давление в камере - 10"5-10~6 торр. При облучении интен-
сивность в УФ-области спектра была в 3-4 раза больше, чем интенсивность излу-
чения Солнца.
По результатам испытаний образцов в кварцевой кювете при экспозиции 1 э. с. с.
произведено разделение по светостойкости кремнийорганических полимеров 30 ти-
пов на 4 группы (I группа соответствует наибольшей стойкости, а IV группа - наи-
меньшей). Эти данные приведены в табл. 1.14.5.
Проведенные исследования свидетельствуют о том, что введение в полимер сила-
оксадигидрофенантренильных и силафлуоренильных звеньев обеспечивает большее
фотостабилизирующее действие, чем введение в полимер дисиладигидроантраце-
нильных и адамантильных групп. Этот факт, по-видимому, можно объяснить тем,
что силаоксадигидрофенантренильные и силафлуоренильные звенья сохраняют
ароматичность (в отличие от дисиладигидроантраценильных звеньев). Наибольшей
светостойкостью по оптико-физическим характеристикам обладают полиметилси-
локсаны и полиметилфенилсилоксаны, содержащие фенантренильные и флуоре-
нильные звенья.
Пластики на основе акрилатов
Сведения о светостойкости большой группы органических стекол и других пла-
стиков на основе акрилатов приводятся в работах [14, 29-31].
При облучении полиметилметакрилата (ПММА) рентгеновским излучением с
энергией квантов 150 кэВ его оптическая прозрачность падает от 95 до 40% при
очень небольших дозах (до 3-104 Гр).
404
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.14.5
Группы светостойкости полиоргапосилоксанов по потемнению
после УФ-облучения до экспозиции в 1 э.с.с.
Полимер Количество введенных звеньев,% Потемнение на X = 0,418 мкм, отн. ед. Группы стойкости
ПМС — 6,0
ПМФлС 1 7,5
ПМФлС 18 2,5 I
ПМФнС 7,7 8,0
ПМФнС 18,2 3,0
ПМАдС-э-3 9 10,0
ПМАдС-э-3 18 5,0
ПМАдС-э-4 2,0 8,0
ПМАдС-э-4 7,7 6,0 I-II
ПМАдС-э-4 15,0 6,0
ПМАдС-э-4 35,0 4,0
ПМАдС-э-4 50,0 2,0
ПМАдС-ф-3 7,2 16,0
ПМАдС-ф-3 18,0 14,0 Н-Ш
ПМАдС-ф-3 27,0 9,0
ПМФС - 40,0 III-IV
ПМФФлС 2,5 24,0
ПМФФлС 10,0 10,5
ПМФФлС 18,0 8,5 I-H
ПМФФлС 35,0 5,5
ПМФФнС 2,5 26,0
ПМФФнС 5,0 19,0 п-ш
ПМФФнС 35,0 8,0
ПМФФнС 50,0 -
ПМФАнС 1,85 37,0
ПМФАлС 5,0 30,0 HI-IV
ПМФАнС 10,0 24,0
ПМФАдС-4 2,0 19,0
ПМФАдС-4 15,0 15,0 III
ПМФАдС-4 25,0 11,0
Установлено, что после воздействия в течение 6-20 часов УФ-излучением от
лампы ПРК-2 в вакууме при различных температурах заметно меняются оптиче-
ские характеристики стекла СТ-1. В таких условиях ударная вязкость образцов ор-
ганического стекла Э-2 снижается на 50%, а затем происходит ее незначительное
плавное понижение. Переход и стабилизация ударной вязкости стекла Э-2 совпада-
ГЛАВА 1.14 ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОЛНЕЧНОГО ЭМИ 405
ет с потерей его спектрального пропускания в УФ-области спектра. Видимого раз-
рушения облучаемой поверхности стекла Э-2 не наблюдалось, а отмечалось лишь
его постепенное пожелтение.
При УФ-облучении образцов ПММА, показано, что основными источниками га-
зов, выделяющихся при облучении, являются эфирные группы, а основной продукт
такого разложения - метилформиат.
По убыванию стойкости к воздействию видимого света и УФ-излучения кисло-
родсодержащие пластики можно расположить в следующий ряд:
• поликарбонат;
• полимеры винилового спирта и его производных;
• полиорганосилоксаны;
• полиэтилентерефталат и его аналоги;
• полимеры целлюлозы и ее производных.
1.14.3.3. Галоидсодержащие пластики
Сведения о светостойкости галоидсодержащих пластиков ряда марок приводятся
в работах [14, 21, 30-32].
Поливинилхлорид (ПВХ)
При действии УФ-излучения на ПВХ происходит выделение хлористого водорода
(НС1) и изменение цветности. Причиной окрашивания ПВХ следует считать образо-
вание сопряженных двойных связей в цепях макромолекул. Выделение НС1 возраста-
ет с уменьшением длины волны УФ-излучения.
По данным [21, 32] пластифицированный ПВХ в значительной мере утрачивает
свою механическую прочность, упругость и гибкость при УФ-облучении, экви-
валентном пребыванию в космическом пространстве в течение одной или двух
недель.
Фторопласты
Данные об изменении физико-механических характеристик ряда отечествен-
ных фторопластов после УФ-облучения в высоком вакууме до энергетической
экспозиции 1 э. с.с. приведены в табл. 1.14.6. Облучение проводилось в течение 8 ча-
сов при трехкратном увеличении интенсивности УФ-излучения по сравнению со
спектром солнечного излучения.
При воздействии УФ-излучения на полихлортрифторэтилен (ПХТФЭ) в течение
240 часов получена величина газовыделения этого материала до 0,106 мг/см2 при
следующем составе остаточных газов: Н2, Н2О, СО, СО2, СН4, С+, СН+, СН2+, СН3+,
С3+ и др.
Рентгеновское облучение с энергией квантов 45 кэВ приводит к возрастанию ди-
электрической проницаемости политетрафторэтилена (ПТФЭ) в 3-4 раза при возрас-
тании интенсивности излучения до 4 Гр/с, а тангенса угла диэлектрических потерь на
частоте 50 Гц - на два с лишним порядка. При УФ-облучении в вакууме для ПТФЭ
практически не наблюдается потерь массы.
406
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.14.6
Стойкость фторопластов к воздействию УФ-излучения
Марка полимера Температура, °C Прочность при разрыве, кг/см2 Относительное удлинение, %
исходная после У ФО А, % исходное после У ФО А, %
Ф-4М 125 279 240 14,0 384 348 9,4
Ф-4МБ 125 282 228 19,1 432 358 17,1
Ф-23 45 364 378 + 311 314 +
Ф-42 100 400 625 + 510 320 37,2
Ф-4НА 100 264 231 19,0 785 590 36,8
Ф-30 100 455 366 19,6 210 61 70,9
Ф-26 100 500 399 20,2 594 404 32,0
Ф-26 80 500 381 23,8 594 540 9,1
Ф-40Б 125 515 410 20,4 220 146 33,7
Ф-2 125 587 450 23,3 284 148 47,9
Ф-2М 45 370 354 4,3 242 44 81,7
Ф-32 100 330 250 24,2 248 141 43,2
ПЭВД 80 200 137 31,5 520 270 48,1
Ф-1 125 376 185 50,8 28,0 22 21,4
Ф-4 80 278 134 51,8 200 12 94,0
Ф-ЗМ 45 393 143 64,2 113 12 90,0
Ф-3 125 445 158 64,5 150 6 95,7
1.14.3.4. Азотсодержащие пластики
Данные о светостойкости материалов этой группы (полиамиды, полиакрилонит-
рил и полиуретан) даны в работах [1, 14, 24, 31-36].
При УФ-облучении полиамидов в вакууме образцы желтеют, причем интенсив-
ность окраски усиливается с увеличением продолжительности облучения. Появление
желто-коричневой окраски объясняется, по-видимому, образованием гетероцепных
соединений ряда пиррола.
Поликапролактам (капрон)
При облучении в вакууме до экспозиции более 92 часов [34] капрон снижает свою
механическую прочность меньше чем на 30%, при этом хрупкость не проявляется.
При облучении капрона полным светом ртутно-кварцевой лампы в вакууме происхо-
дит гомолитический разрыв связей С-Н, С-N и С-0 с образованием свободных ра-
дикалов различного типа. В результате рекомбинации и вторичных реакций с их уча-
стием происходит выделение Н2, СО, углеводородов.
ГЛАВА 1.14 ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОЛНЕЧНОГО ЭМИ 407
Воздействие УФ-излучения от лампы ПРК-2 на пленки капрона в вакууме при по-
вышении температуры с 80 до 130°С приводит к снижению прочности при разрыве
пленки и к изменению относительного удлинения. Светопропускание пленок при
этом снижается для длин волн короче 240 нм. Введение хромофорсодержащих фраг-
ментов повышает светостойкость капроновых пленок.
Нейлон
Это название присвоено большой группе материалов типа полиамидов. Наиболее
исследован нейлон 6/6 (или нейлон 66), являющийся полигексаметиленадипинами-
дом. Физико-механические свойства нейлона заметно ухудшаются при УФ-облуче-
нии, при этом излучение с более короткими длинами волн приводит к большим из-
менениям. Продукты разложения нейлона содержат все первичные амины - от мети-
ламина до гексиламина.
На смену нейлону в космической технике пришел материал под названием «плен-
ка НТ-1» (торговое название - «Nomex», отечественный аналог - фенилон). Для во-
локна НТ-1 также обнаружена [23] зависимость степени ухудшения механических
свойств от длины волны используемого УФ-излучения. При энергетической экспози-
ции в 130 э. с. ч. газопроницаемость пленки НТ-1 выросла на 16%, предел прочности
на изгиб уменьшился на 5%, относительное удлинение уменьшилось от исходных
50,8% до 44,0%.
Полиуретан (ПУ)
Вопросы воздействия УФ-излучсния на ПУ рассмотрены в [36]. При масс-
спектрометрических исследованиях газообразных продуктов фотолиза ПУ на основе
толуилендиизоцианата и этиленгликоля было найдено, что разрыв полимерной цепи
происходит по связи С-N с выделением сложной смеси газообразных продуктов, в
том числе водорода.
Азотсодержащие пластики можно расположить в следующий ряд по убыванию
стойкости к воздействию УФ-излучения: пленка НТ-1 (фенилон), полиуретан,
полиакрилонитрил, полигексаметиленадипинамид (нейлон 66), поликапроамид
(капрон).
1.14.4. Воздействие электромагнитных излучений на полимерсодержащие
материалы
1.14.4.1. Воздействие на стеклопластики
Стеклопластики - материалы, довольно часто используемые в конструкциях КА.
Из стеклопластиков различных видов изготавливают некоторые элементы конструк-
ций ракет-носителей, детали корпусов КА и некоторых космических приборов.
Чаще всего в литературе приводятся результаты воздействия потоков лучис-
той энергии в диапазоне длин волн от 200 до 500 нм в высоком вакууме на сло-
истые стеклопластики на основе полиэфирной, эпоксидной и фенольной смол - см.
табл. 1.14.7 [14].
408
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.14.7
Изменение свойств слоистых стеклопластиков в зависимости от времени облучения
Тип слоистого пластика Время облучения, ч Максимальная температура, °C Потеря массы, % Предел прочности, кг/мм2 Модуль упругости, 105 кг/см2
изгиб сжатие изгиб сжатие
0 — — 50,73 — 2,46 2,25
24 115,6 0,38 62,11 — 2,53
Полиэфирный 50 123,3 0,54 61,72 — 2,67 —
Р-43 100 120,6 0,57 61,67 - 2,60 -
200 144,4 0,61 59,18 32,70 2,60 2,18
500 142,2 0,78 55,16 34,70 2,11 2,25
0 — — 67,00 37,70 2,60 2,60
24 131,1 0,43 64,25 — 2,39 —
Эпоксидный 50 133,8 0,51 62,50 2,46
Ероп-815 100 132,2 0,46 62,23 — 2,39 -
200 145,5 0,58 64,04 33,90 2,53 2,53
500 159,4 0,83 60,67 33,00 2,46 2,46
0 - — 54,16 30,50 2,53 2,53
24 114,5 0,38 51,46 — 2,53 —
Фенольный 50 131,7 0,35 48,93 - 2,53 —
СТ-91 100 134,3 0,35 50,42 - 2,53 -
200 136,1 0,64 50,65 31,50 2,53 2,53
500 172,2 1,30 49,28 24,70 2,53 2,46
Из данных этой таблицы можно видеть, что при экспозициях до 500 э. с. ч. (облу-
чение проводилось при интенсивности, соответствующей солнечной) прочностные
показатели трех рассмотренных групп стеклопластиков изменяются незначительно
(не более 10% от исходных значений), что, скорее всего, не препятствует примене-
нию этих материалов на внешних поверхностях КА. Более критичными могут ока-
заться полученные значения потери массы образцов.
1.14.4.2. Воздействие на терморегулирующие и лакокрасочные покрытия
Данные о светостойкости различных красок, терморегулирующих и других
покрытий приводятся в работах [1, 13, 14, 26].
Исследования светостойкости терморегулирующих покрытий (ТРП) АК-573 и
АК-512 показали, что при энергетических экспозициях 20-30 э. с. с. изменения коэф-
фициента поглощения солнечной радиации Да^ для этих ТРП составляет 0,10-0,17.
В [15] описаны результаты исследований светостойкости некоторых американ-
ских ТРП (большей частью на основе кремнийорганических связующих), приводятся
данные по изменениям спектров поглощения этих ТРП и связующих после воздейст-
вия потоков ЭМИ, имитирующих УФ-излучение заатмосферного Солнца. Представ-
лены оценки продуктов газовыделения этих связующих после воздействия ЭМИ
Солнца и протонов радиационных поясов Земли.
ГЛАВА 1.14 ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОЛНЕЧНОГО ЭМИ 409
Сводные данные [14] по светостойкости американских кремнийорганических и
фторорганических покрытий приведены в табл. 1.14.8-1.14.11. В этих таблицах ис-
пользуются следующие обозначения: ОКП - объемная концентрация пигмента; СФ -
солнечный фактор, т. е. коэффициент превышения интенсивности источника света
над интенсивностью излучения Солнца. В табл. 1.14.8 материал характеризуется от-
ношением числа метильных групп к числу атомов кремния (Me / Si).
Таблица 1.14.8
Изменение оптических свойств силиконовых красок
при воздействии УФ-излучения в вакууме. Пигмент - ZnO; ОКП - 25%
Краска Состав краски Экспозиция Отражательная способность, %
связующее Me/Si э.с.ч. СФ при 440 нм при 600 нм
0 79,0 81,5
S-4 метилсиликоновая 1,29 300 3 79,5 80,5 —
смола R-1 0 — 83,0 85,5 0,26
1460 9 71,0 81,5 0,27
0 — 80,5 88,5 0,26
S-16 метилсиликоновая 1,33 615 9 78,0 87,0 0,27
смола R-7 0 — 80,5 88,5 0,27
1600 11 78,5 86,0 0,27
S-11 смола R-5 1,38 0 - 86,5 91,0 0,23
1460 9 82,5 88,5 0,25
0 — 80,5 92,0 —
S-8 смола R-2 1,46 450 10 76,0 91,5 -
0 — 85,5 94,0 0,20
1460 9 82,0 91,0 0,23
Таблица 1.14.9
Изменение оптических свойств силиконовых красок при воздействии УФ-нзлучения
в вакууме при различном объемном содержании пигмента ZnO
Краска Состав краски Экспозиция Да5
Связующее ОКП, % э.с.ч. СФ
0 0,220
S-7 Полидиметилсилоксановое 20 1460 9 0,260 0,040
соединение LTV-602 0 — 0,240 —
3350 17,6 0,300 0,060
S-12 Полидиметилсилоксановое 25 0 — 0,230 —
соединение LTV-602 1460 9 0,260 0,030
0 — 0,230 —
1460 9 0,260 0,030
S-18 Полидиметилсилоксановое 30 0 — 0,202 —
соединение LTV-602 1200 8,7 0,240 0,038
0 — 0,230 —
3350 17,6 0,280 0,050
410 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Продолжение табл. 1.14.9
Краска Состав краски Экспозиция Дах
Связующее ОКП, % э.с.ч. СФ
0 0,175
S-27 Полидиметилсилоксановое 35 1600 10,2 0,192 0,017
соединение LTV-602 0 — 0,176 —
1850 Ю,1 0,201 0,015
S-26 Полидиметилсилоксановое 40 0 - 0,161 —
соединение LTV-602 1200 8,7 0,173 0,012
S-11 Экспериментальная смола R-5 25 0 - 0,230 -
1460 9 0,250 0,020
S-15 Экспериментальная смола R-5 30 0 - 0,230 -
1700 10,7 0,240 0,010
0 — 0,224 —
S-19 Экспериментальная смола R-5 35 1200 8,7 0,226 0,002
0 — 0,223 —
1850 10,1 0,237 0,014
Таблица 1.14.10
Изменение оптических свойств фторорганических покрытий
при воздействии УФ-излучения в вакууме
Краска Состав краски Экспозиция, э.с.ч. Отражательная способность, %
Пигмент Связующее ОКП при 440 нм при 600 нм
Р-5 ZrO2 Тефлон 0,66 0 87,4 70,0
TFE-30 74 42,0 59,6
Р-7 ZnO SP-500 Тефлон 0,67 0 84,0 91,5
TFE-852-202 108 46,0 74,5
Р-8 ZnO SP-500 Тефлон 0,4 0 84,2 77,3
FEP-120 314 52,4 67,5
Р-10 ZnO SP-500 Витон В 4,0 0 88,5 92,0
500 76,5 89,0
Р-Н ZnO SP-500 Kel-F 800 0,5 0 84,0 77,6
108 64,8 72,7
Р-12 ZnS Kel-F 800 5,0 0 89,5 92,0
108 49,5 78,0
Р-13 ZnO SP-500 Kel-F 8213 1,5 0 87,0 87,5
108 52,0 72,5
Р-14 ZnO SP-500 Kel-F 8213 5,0 0 97,0 98,0
500 80,5 95,0
ГЛАВА 1.14 ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОЛНЕЧНОГО ЭМИ
411
Таблица 1.14.11
Изменение оптических свойств метилсиликоновых красок с пигментом ZnO
при воздействии УФ-излучения в вакууме
Краска Состав краски Экспозиция Aas
связующее ОКП, % э.с.ч. СФ
Смола SR-80 (чистая 0 - 0,253 -
S-18 метилсиликоновая смола с 20 3180 10,7 0,428 0,175
цинковым катализатором) 0 — 0,244 -
3300 17,4 0,471 0,227
Полидиметилсилоксановое 0 - 0,199 -
S-13G соединение LTV-602 30 3180 10,7 0,263 0,064
(невулканизированное) 0 — 0,180 —
3300 17,4 0,272 0,092
Смола R-5 (смесь 0 - 0,226 -
S-19 диметилдихлорсилана и 35 3180 10,7 0,239 0,013
метилтрихлорсилана) 0 — 0,225 —
3300 17,4 0,253 0,028
Данные по светостойкости ряда отечественных ТРП, полученные при УФ-об-
лучении в высоком вакууме при температуре 125°С, представлены в табл. 1.14.12
[37,38].
Таблица 1.14.12
Изменение коэффициента поглощения солнечной радиации а$
при УФ-облучении
Наименование покрытия Энергетическая экспозиция, э. с. с. as
a5° rv 0671 as
АК-243 ч 120 0,97 0,95
АК-512ч 140 0,96 0,95
АК-573 б ПО 0,16 0,25
А1 + лак АК-1-70 80 0,13 0,21
А1 + лак МЕТ-1 80 0,14 0,25
ВЭ-17 130 0,16 0,21
КО-811 б 120 0,33 0,63
КО-818 160 0,90 0,88
КО-96 80 0,44 0,44
ЭП-255 120 0,27 0,79
ЭП-51 160 0,35 0,77
412
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение следует отметить, что исследования светостойкости материалов,
предназначенных для применения на внешних поверхностях КА, включают три
основных направления:
• отбор по результатам исследований и испытаний материалов, сохраняющих
необходимые эксплуатационные характеристики при требуемых энергетиче-
ских экспозициях;
• выбор и введение необходимых светостабилизаторов в материалы;
• направленный синтез новых материалов и добавок с улучшенными свойствами.
Некоторые работы по созданию новых, более светостойких полиорганосилокса-
нов описаны в [24-28]. В качестве другого примера можно указать работы по созда-
нию светостойких полиамидов и других материалов методами структурной модифи-
кации [17, 18].
ЛИТЕРАТУРА
1. Шаварин Ю.Я., Клиншпонт Э.Р., Суминов С.И., Степанов В.Ф., Сичкарь В.П., Смирнова Н.А., Бриск-
ман Б.А., Подсобляев А.П. Свидетельство №2001620008 от 05.02.2001 г. об офиц. регистрации Базы
данных «РадМат» по радиационному и космическому материаловедению неметаллических материалов.
2. Скобелев В.М. Искусственные источники УФИ. В сб.: Ультрафиолетовое излучение. Под ред. Фран-
ка Г.М. М.: Медгиз, 1958, с. 87-98.
3. Гаврилова Л.И., Дойников А.С., Корчагина Т.Н. УФ-излучение дуговых и импульсных ксеноновых
ламп. В кн.: Биологическое действие УФИ. М.: Наука, 1975, с. 226-229.
4. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Радайкин В.С. Источники и приемники излучения. М.: Машиностроение,
1982, 222 с.
5. Справочная книга по светотехнике. Под ред. Айзенберга Ю.Н. М.: Энергоатомиздат, 1983,452 с.
6. Верховцева Э.Т., Яременко В.И. Космические исследования на Украине. Киев: Наукова Думка, 1973,
вып. 3, с. 66-80.
7. Дорофеев Ю.И., Скурат В.Е. Фотохимические процессы под действием ВУФ. Итоги науки и техники,
сер. Радиационная химия и фотохимия. М.: ВИНИТИ, 1983, т. 3, с. 5-113.
8. Рабек Я. Экспериментальные метода в фотохимии и фотофизике. Пер. с англ. Под ред. Борисова А.Ю.
T. 1.М.:Мир, 1988, 608 с.
9. Гаванин В.А. Характеристики вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей для
УФ-области спектра. В кн.: Биологическое действие УФИ. М.: Наука, 1975, с. 235-240.
10. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения. Справочник. М.: Радио и связь,
1987,296 с.
11. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. М.: Радио и связь,
1988.
12. Щербаков Л.Н. Новая методика дозиметрии УФ-излучения. В сб.: Радиационная стойкость полимер-
ных материалов. М.: НИИТЭ-ХИМ, 1982, вып. 6, с. 79-86.
13. Цаплин С.В., Савина И.И. Исследование изменений химического состава анодно-окисных терморегу-
лирующих покрытий до и после УФ-облучения. В сб.: Радиационная стойкость органических материа-
лов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ, 1991, вып. 12, с. 51-56.
14. Шаварин Ю.Я. Воздействие лучистой энергии на полимерные материалы, применяемые в космиче-
ских аппаратах. Обзор. ГОНТИ, № 1, 1972, 72 с.
15. Барашков Н.Н., Сахно Т.В., Высоцкий В.Н., Григорьева И.Н., Плахотина Ж.Е. Роль структурно-хими-
ческого модифицирования в светостабилизации поликапроамида. В сб.: Радиационная стойкость орга-
нических материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ, 1990, вып. 11, с. 27-31.
16. Абызов Н.М., Блинова С.Л., Лосев В.И., Табалин Е.Н., Балясова А.В. Влияние некоторых факторов на
радиационную стойкость тканепленочных материалов. В сб.: Радиационная стойкость полимерных и
полимерсодержащих материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ, 1982, вып. 6, с. 103-108.
ГЛАВА 1.14 ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОЛНЕЧНОГО ЭМИ 413
17. Яковлев Ю.Ю., Барашков Н.Н., Шаварин Ю.Я., Нурмухаметов Р.Н., Клименко В.Г. Светостабилизация
и повышение огне- и теплостойких свойств волокон из ароматического полиамида продуктами пиро-
лиза бензина. В сб.: Радиационная стойкость полимерных и полимерсодержащих материалов в усло-
виях космоса. М.: НИИТЭХИМ, 1988, вып. 9, с. 109-114.
18. Барашков Н.Н., Нурмухаметов Р.Н., Яковлев Ю.Ю., Сахно Т.В., Клименко В.Г., Шаварин Ю.Я. Струк-
турно-химическое модифицирование как путь направленного повышения светостойкости ароматиче-
ских полиамидов и полиимидов. В сб.: Радиационная стойкость органических материалов в условиях
космоса. М.: НИИТЭХИМ, 1989, вып. 10, с. 9-22.
19. Shavarin Yu. Ya., Blinova S.L., Abyzov N.M., Alexejev S.V., Shulga A.I. Simulation tests of polymeric mate-
rials intended for long-term spacecraft missions in radiation fields. Proc. 6th Intern. Symp. on Materials in
Space Environment, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 19-23 September 1994, pp. 401-410.
20. Arutunian G., Seppi F.L. The effect of ionizing radiation upon transparent material. Rep. RR-1, Ordnance
Tank-Automative Command, Deitroit Arsenal, Centerline, Michigan, October 1959.
21. Hendrickson J.G. J. Ann. Polymer Sci., 1967, v. 11, No 8, pp. 1419-1430.
22. Коршак В.В., Мозгова К.К., Засечкина А.П. Журнал органической химии, 1958, 28, с. 2877.
23. Jellinek H.H.G. Pure and Appl. Chem., 1962, v. 4, p. 419.
24. Шаварин Ю.Я., Панкратова Л.Н. Исследования светостойкости кремний-органических полимеров. В сб.:
Радиационная стойкость органических материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ, 1984, вып. 7,
с. 56-61.
25. Панкратова Л.Н., Шаварин Ю.Я. Действие излучений на полимерные материалы со связями Si-O.
Обзор. М.: НИИТЭХИМ, 1985, 39 с.
26. Панкратова Л.Н., Горячев А.Н., Железникова М.В., Северный В.В., Варламова Н.В., Сунеканц Т.Н. Изу-
чение действия излучений на полиорганосилоксаны, содержащие силафлуоренильные звенья. В сб.:
Материалы и процессы космической технологии. М.: Наука, 1980, с. 177-179.
27. Матвеев В.К., Смирнова Н.А., Панкратова Л.Н. и др. Высокомолекулярные соединения, 1990, т. 31, № 3,
с. 223-225.
28. Ляшевич В.В., Панкратова Л.Н., Попов О.Ю. и др. Химия высоких энергий, 1991, т. 25, № 3, с. 238-243.
29. Денисов Ю.Н., Козелкин В.В., Перов Б.В., Осикипа Е.С., Сентюрин Е.Г. В сб.: Испытания материалов
в условиях имитирующих космические. М.: ОНТИ ВИАМ, 1968, с. 161-172.
30. Знаменская Л. А., Вайсберг С.Э. Фотохимическое сшивание полиметил-метакрилата с добавками. Веб.:
Радиационная стойкость органических материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ, 1984, вып. 7,
с. 52-56.
31. Знаменская Л.А. Исследования фотосшивания полиметилметакрилата в присутствии ароматических
добавок. В сб.: Радиационная стойкость органических материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ,
1986, вып. 8, с. 51-59.
32. Grassie М., McCallum J.R. J. Polymer Sci. 1964, v. A2, p. 983.
33. Абызов H.M., Блинова С.Л., Лосев В.И., Шаварин Ю.Я., Базыкина А.И., Балясова А.В., Щербаков Л.Н.
Химическое строение и радиационная стойкость фторполимеров. В сб.: Радиационная стойкость поли-
мерных и полимерсодержащих материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ, 1979, вып. 5, с. 17-26.
34. Хрущ Б.И., Ершов Ю.А., Люличев А.В. и др. Химия высоких энергий, 1981, т. 15, № 6, с. 520.
35. Байдаровцев Ю.П., Василец В.Н., Дорофеев Ю.И. Пономарев А.Н., Скурат В.Е. Исследование кинети-
ки накопления радикалов при фотолизе политетрафторэтилена светом с длинами волн 147 и 123,6 нм.
Химическая физика, 1984, т. 3, № 10, с. 1405-1408.
36. Milintchouk A., Van Eesbeek М., Levadou F., Harper T. Influence of X-ray solar radiation of Teflon in space.
J. Spacecraft and Rockets, 1997, v. 34, No. 4, pp. 542-548.
37. Шаварин Ю.Я. Некоторые современные тенденции при разработке и испытаниях терморегулирующих
покрытий. В сб.: Радиационная стойкость полимерных материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭ-
ХИМ, 1977, вып. 3, с. 3-12.
38. Гужова С.К., Тарасов Ю.И., Титов В.И. Фото- и плазмотравление поверхности АК-573. В сб.: Радиаци-
онная стойкость полимерных и полимерсодержащих материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ,
1988, вып. 9, с. 63-70.
ГЛАВА 1.15
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ
В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Хатипов С.А.1; Цвелев В.М.2, Алексеев С.В.2
1 Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова
2Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина
Список сокращений
ГСО геостационарная орбита ПТФЭ политетрафторэтилен
ИИ ионизирующие излучения ПЭ полиэтилен
КА космический аппарат ПЭТ полиэтилентерефталат
ПВХ поливинилхлорид РЭ радиационная электропроводность
ПМ полимерные материалы ЭВТИ экранно-вакуумная теплоизоляция
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современных космических технологий немыслимо без использования
полимерных материалов (ПМ). Полимеры используются при создании конструкци-
онных изделий (баков, трубопроводов, надувных и разворачиваемых конструкций
и др.), в качестве терморегулирующих покрытий (в составе эмалей, а также в виде
металлизированных пленок), экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), в изделиях
электротехнического назначения (кабельной изоляции, деталях электронных схем
и др.), в виде тканей и нитей для облицовки и крепления матов ЭВТИ, клеев, герме-
тиков, заливочных компаундов и т. п.
К числу наиболее используемых в чистом виде или в составе композиций поли-
мерных систем относятся ароматические полиимиды, полиамиды, поликарбонат, по-
ГЛАВА 1.15
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ...
415
лиэтилентерефталат (ПЭТ), полисилоксаны, углеводородные каучуки, полиакрилаты,
полиэтилен (ПЭ), сополимеры тетрафторэтилена с гексафторпропиленом и этиленом
(Ф-4МБ, Ф-40), поливинилхлорид (ПВХ), эпоксидные и фенолформальдегидные
смолы и др.
Общим недостатком ПМ, накладывающим ограничения на их применение в со-
ставе изделий космической техники, является высокая чувствительность к воздейст-
вию ионизирующих излучений (ИИ). Структурные изменения при облучении поли-
меров приводят к изменению всего комплекса макроскопических свойств. Наиболь-
шим изменениям подвержены физико-механические характеристики: прочность,
удлинение при разрыве, ползучесть, в несколько меньшей степени модуль упругости
и др. Механические характеристики полимера напрямую связаны со структурными
параметрами (кристалличностью, молекулярным весом, спектром молекулярной ре-
лаксации и др.), изменяющимися при воздействии излучений. Влияние ИИ на другие
свойства полимера (оптические, электрофизические, теплофизические) носит более
сложный опосредованный характер. За редким исключением изменения механиче-
ских характеристик полимеров до 30% и выше наблюдаются при поглощенных дозах
в интервале 107—108 рад, что на несколько порядков ниже соответствующих значений
для неорганических материалов. Указанный интервал поглощенных доз приблизи-
тельно соответствует усредненной дозе, поглощаемой материалом на геостационар-
ной орбите (ГСО) в течение 1-10 лет.
Повышение требований к стойкости материалов, а также создание новых уст-
ройств на фоне общей тенденции к увеличению сроков активного существования
космических аппаратов (КА) требуют развития методов радиационных испытаний,
прогнозирования радиационной стойкости, учета особенностей условий эксплуата-
ции полимеров в космосе. Достаточно полную сводку экспериментальных данных по
радиационной стойкости органических и полимерных материалов, накопленных до
1985 г., можно найти в справочнике Милинчука В.К. с соавторами [1], а некоторые
научные и практические аспекты проблемы радиационной стойкости проанализиро-
ваны в монографии тех же авторов [2]. В настоящей главе основной упор сделан на
экспериментальные данные, полученные при исследовании полимеров, которые
представляют наибольший практический интерес с точки зрения их использования
на КА, а также на новые экспериментальные данные, полученные в последнее деся-
тилетие.
1.15.1. Особенности условий эксплуатации полимерных материалов
в космическом пространстве
С точки зрения радиационных эффектов принципиальными особенностями
эксплуатации полимеров в околоземном космическом пространстве являются: на-
личие ИИ различной природы, широкое распределение ионизирующих частиц по
энергии, комплексный характер воздействия частиц и широкий диапазон изменения
температуры материала.
На поверхности КА полимерные материалы (ЭВТИ, терморегулирующие покры-
тия и др.) подвержены прямому воздействию всего спектра ИИ космического про-
416 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
странства: протонов (20—103 МэВ), электронов (0,05 МэВ), тормозного излучения
(0,05 МэВ), солнечного рентгеновского (1—10 нм) и вакуумного ультрафиолетового
излучений; а для орбит, пересекающих радиационные пояса Земли, - электронов
(0,02-5 МэВ), протонов (0,01-60 МэВ) и тормозного излучения (0,02-5 МэВ). Об-
ширные сведения о физико-химических процессах взаимодействия излучений разных
видов с веществом, в том числе с ПМ, содержатся в [3-13].
Немоноэнергетичность частиц космической радиации приводит к неоднородному
распределению поглощенной дозы по глубине материала. На рис. 1.15.1 представле-
но распределение мощности дозы, возникающее в поверхностном слое полимера при
воздействии трех видов ИИ: мягкого рентгеновского излучения, спектра заряженных
частиц на ГСО и вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ) Солнца [14].
Оценки показывают, что суммарная поверхностная доза на ГСО существенно превы-
сит 107 Гр-год"1. Такой уровень поглощенной дозы является чрезвычайно высоким,
способным привести к полной деградации полимера и его уносу. Однако усреднен-
ная по глубине материала доза оказывается существенно ниже, поскольку значитель-
ную долю в общем спектре излучений составляет низкоэнергетическая часть ИИ
(рентгеновское и ВУФ-излучения, электроны и протоны с энергиями менее 0,050 и
1 МэВ соответственно). На глубине 10 мкм величина поглощенной дозы снижается
приблизительно на порядок.
Необходимо отметить, что основной массив экспериментальных данных по ра-
диационной стойкости ПМ, содержащийся в справочниках и монографиях, напри-
мер [1,2], получен при воздействии моноэнергетических потоков ионизирующих
частиц (электронов, гамма-квантов) в условиях макроскопически равномерной по
объему ионизации материала. При этом величины поглощенных доз редко выходят
за верхнюю границу, которую можно определить как 0,5-107 Гр, что соответствует
дозе на ГСО в течение 10 лет за слоем защиты —0,01 г-см"2 (около 25 мкм по алюми-
Рис. 1.15.1. Распределение мощности
поглощенной дозы по толщине пленки
сополимера тетрафторэтилена
с гексафторпропиленом (Ф-4МБ):
1 - мягкое рентгеновское излучение,
2 - заряженные частицы на ГСО,
3 - вакуумный ультрафиолет [14]
нию). В то же самое время величина дозы,
поглощаемой за год поверхностным слоем
материала на этой орбите, в несколько раз
выше. Характер влияния сверхвысоких по-
верхностных доз на макроскопические свой-
ства полимеров в течение длительного срока
эксплуатации в космическом пространстве
изучен пока недостаточно, и соответству-
ющие требования к проведению наземных
испытаний не сформулированы.
Наиболее сложными и до конца не ре-
шенными при проведении наземных испы-
таний остаются также вопросы, связанные с
моделированием (или имитацией) энергети-
ческого распределения частиц по энергии,
комплексного (совместного) действия иони-
зирующих частиц различной природы и
моделированием радиационных эффектов в
условиях термоциклирования.
ГЛАВА 1.15
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ...
417
Одним из решений проблемы моделирования энергетического спектра ИИ явля-
ется использование нескольких моноэнергетических пучков, создающих по глубине
материала профиль поглощенной дозы, близкий к таковому в условиях эксплуатации.
Необходимость проведения таких испытаний следует из зависимости свойств мате-
риала от вида распределения дозы по глубине, а не ее усредненной величины. Так,
например, достаточно очевидно, что изменение характеристик будет существенно
отличаться в зависимости от того, произошло ли поглощение энергии в тонком по-
верхностном слое или равномерно по глубине материала. Дозовые зависимости
свойств полимеров, как правило, нелинейны. Поэтому использовать усредненные по
глубине значения дозы при оценке радиационной стойкости некорректно.
Температура полимера на поверхности КА может изменяться в интервале ±150°С.
Это тот интервал температур, в пределах которого физическое состояние полимеров
меняется от стеклообразного до высокоэластичного и столь же сильно изменяется
характер радиационно-химических процессов: при низких температурах доминируют
первичные процессы, затем увеличивается вклад вторичных процессов (сшивания и
деструкции полимерных цепей) и при высоких температурах преобладает термора-
диационная деструкция. Учет температурного режима эксплуатации для оценки ра-
диационной стойкости полимера имеет принципиальное значение. Универсальные
подходы к описанию даже одинаковых по природе радиационных процессов в поли-
мерах (например, деструкции или переноса индуцированных зарядов) неприменимы
в силу специфики их протекания в каждом из полимеров. Она проявляется в характе-
ре зависимости свойств полимера от поглощенной дозы и температуры облучения и,
в конечном счете, является следствием особенностей структуры, морфологии, моле-
кулярной динамики и дефектности (негомогенности) полимера.
Согласно современным представлениям, радиационные эффекты в ПМ условно
подразделяют на поверхностные и объемные. Ниже представлены эксперименталь-
ные данные, которые иллюстрируют объемные (при однородном облучении) и по-
верхностные радиационные эффекты.
1.15.2. Макроскопические свойства полимеров при однородном облучении
1.15.2.1. Изменение физико-механических характеристик
Физико-механические характеристики (прочность, ползучесть, ударная вязкость
и др.) относятся к числу важнейших характеристик материала, определяющих его
работоспособность независимо от функционального назначения. Согласно сущест-
вующим стандартам, они входят в список характеристик, испытываемых на радиаци-
онную стойкость, для конструкционных, уплотнительных, электротехнических, теп-
лозащитных, клеевых и других материалов КА.
Испытания физико-механических характеристик ПМ проводятся, как правило,
при равномерном объемном распределении поглощенной дозы в образце, что дости-
гается использованием ИИ с пробегом частиц, много больше толщины образца. При
проведении таких испытаний применяются источники гамма- и электронного из-
лучений с энергией частиц соответственно 1,25 и 1-9 МэВ. Величина мощности дозы
418
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.15.1
Влияние облучения на прочность полимеров и композиций на их основе
Материал Условия облучения Поглощенная доза, Мрад Изменение прочности при разрыве, % Характер зависимости
Капроновые ткани электроны, вакуум, 20°С 1 з +8° +8 максимум
10 -1
100 -18
300 -40
600 -80
электроны, вакуум, 120°С 1 з +8 +9 максимум
10 +6
100 -23
электроны, вакуум, -196°С 1 з 0 0 мс2’
10 -9
электроны, воздух, 20°С 1 з +10 +7 максимум
10 + 1
100 -31
Аримидные ткани электроны, вакуум, 20°С 300 -30 МС
Лавсановые ткани гамма, вакуум, 20°С 100 -30 МС
гамма, вакуум, 100°С 50 -30
электроны, вакуум, 20°С 300 -30
Стеклоткань гамма, вакуум, 20°С 150 +18 МР
ТСОН СОТ электроны, вакуум, 20°С 300 +27 МР
Ткань СВМ электроны, вакуум, 25°С 300 +11 МР
ПА-610 гамма, воздух, 20°С 10 +11 максимум
100 + 18
300 -30
гамма, вакуум, 20°С 300 +24 МР
электроны, вакуум, 20°С 900 +20 МР
Углепластик КМУ электроны, вакуум, 20°С 300 -13 МС
Арилокс электроны, вакуум, 20°С 100 -43 МС
ПМ-1ЭУ (пленка) электроны, вакуум, 20°С 1000 -25 МС
Полиуретан электроны, вакуум, 20°С 300 -73 МС
ПЭТ (пленка) электроны, вакуум, 20°С 500 -70 МС
Фторсодержащие электроны, вакуум, 20°С 150 -80 МС
пластики и пленки
Лента ЛЭТСАР электроны, вакуум, 20°С 3 -76 МС
° Отрицательные значения изменения прочности при разрыве соответствуют ее уменьшению, поло-
жительные - увеличению.
2) МС - монотонный спад; МР - монотонный рост.
ГЛАВА 1.15
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ...
419
обычно составляет не более 10 и 103 Гр-с"1 для гамма-излучения и электронов соот-
ветственно. Основным параметром, ограничивающим мощность дозы при таких ис-
пытаниях, является радиационный нагрев образца. Как показывает опыт, трудности с
обеспечением изотермических условий облучения начинаются при мощностях дозы
более 103 Гр-с"1. Скорость отвода теплоты за счет теплопроводности (даже при усло-
вии хорошего теплового контакта образца с термостатируемой подложкой) оказыва-
ется недостаточной по сравнению со скоростью ее выделения.
К числу наиболее общих закономерностей, наблюдаемых при гамма- и электрон-
ном облучении полимеров, относится сложный, немонотонный характер дозовой за-
висимости механических характеристик (возникновение перегибов, максимумов) и
сильное влияние на нее температуры облучения. В табл. 1.15.1 представлены такие
зависимости для ряда ПМ, полимерных тканей и композиций на основе полиме-
ров, применяемых на КА. Подборка данных сделана с использованием справоч-
ника [1].
Из табл. 1.15.1 видно, что дозовая зависимость прочности капроновых тканей
имеет вид кривой с максимумом. Такая зависимость указывает на конкуренцию
процессов сшивания и деструкции, свойственную полимерам: в области малых доз
доминирует сшивание и затем деструкция. При низких температурах в условиях
вымороженной молекулярной подвижности радиационно-химический выход сши-
вания уменьшается, при повышении температуры - увеличивается. Максимум на
кривой дозовой зависимости прочности с увеличением температуры смещается в
сторону больших доз в области низких температур и меньших доз в области по-
вышенных температур. Подобные зависимости наблюдаются и для других мате-
риалов, например, ПА-610. Зависимости ударной вязкости ПА-610 и разрывной
прочности ПВХ от поглощенной дозы D имеют перегиб: при достижении опреде-
ленного уровня дозы наблюдается резкое ускорение процесса деградации материала
(рис. 1.15.2, 1.15.3 [1]).
Наличие в объеме полимера молекуляр-
ного кислорода способствует увеличению
выхода деструкции и смещению максимума
в сторону меньших доз. В связи с этим важ-
ным требованием к проведению наземных
испытаний является предварительное кон-
диционирование образцов в высоком ва-
кууме при повышенной температуре для
достижения максимально возможного уда-
ления молекул кислорода из полимера.
Справочные данные, как правило, не содер-
жат информацию о предварительной подго-
товке образцов к испытаниям, часто эта ин-
формация отсутствует в статьях. Влияние
даже незначительного содержания кислоро-
да (примесного в объеме полимера или по-
ступающего в испытательную камеру извне
Рис. 1.15.2. Зависимость предела ударной
вязкости ак полиамида-610 от D:
1 - ускоренные электроны, вакуум;
2 - ускоренные электроны, воздух;
3 - у-излученне, воздух
420
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
при давлениях 10”3 мм. рт. ст. и выше) при-
водит к заметным эффектам. Так, часто
наблюдаемое отличие в изменениях проч-
ности при гамма- и электронном облуче-
нии хорошо объясняется влиянием кисло-
рода. При гамма-облучении это влияние
выше из-за более низкой мощности дозы и,
соответственно, большего вклада диффу-
зионно-контролируемого процесса окисли-
тельной деструкции. В табл. 1.15.1 это про-
иллюстрировано на примере лавсановых
тканей: один и тот же уровень снижения
прочности (30%) достигается при элект-
ронном облучении при дозе в 3 раза более
высокой, чем при гамма-облучении, не-
смотря на то, что оба испытания проведе-
ны в условиях вакуума.
Монотонное увеличение прочности с
увеличением поглощенной дозы наблюда-
ется для ряда конструкционных материа-
лов. К их числу относятся композиции на
основе углеродных тканей, например
ВГМ-4, в котором прочность увеличивает-
Рис. 1.15.3. Зависимость предела СЯ на неСКОЛЬКО процентов ВПЛОТЬ ДО
прочности Стр и предела деформируемости 500 Мрад, ТГН-2М - прочность увеличива-
Ер при растяжении ПВХ от D: ется на уо/о ПрИ 500 Мрад. КОМПОЗИЦИИ на
1,2- v-излучение, воздух;
основе углеродных тканей и полимерного
3,4-ускоренные электроны, вакуум J 1 1
связующего в общем характеризуются вы-
сокой радиационной стойкостью, для некоторых из них наблюдается уменьшение
прочности, но оно, как правило, не превышает нескольких процентов. Так, при дозе
500 Мрад прочность композиции УУТ-2М уменьшается на 3%.
Прочность композиций на основе органических (например, аримидных) и неорга-
нических (например, алюмоборосиликатные ткани) тканей и полимерного связующе-
го (органосилоксаны, фенолформальдегидные смолы и др.), как правило, в области
умеренных доз (до 500 Мрад) с увеличением дозы возрастает. Модуль упругости с
увеличением дозы также растет. На рис. 1.15.4 представлена подобная зависимость
на примере самоотверждающейся композиции ПКМ на основе аримидной ткани и
полимерного связующего.
Значительную группу материалов, применяемых на КА, составляют полимерные
пленки, ленты, трубки, применяемые в качестве электроизоляционных, конструкци-
онных и терморегулирующих материалов. Среди пленок наибольшей радиационной
стойкостью обладают полиимидные пленки (например, ПМ-1ЭУ-ОА и ПМ-А-ОА),
наименьшей - пленки ПЭТ и фторуглеродные пленки. Ленты типа ЛТК-13-70 (кап-
роновая), ДН (на основе лавсанового нетканого полотна с двусторонним клеевым
ГЛАВА 1.15
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ...
421
слоем), ЛЭТСАР (на основе кремнийорга-
нической резины), трубки ТКРМ (на основе
кремнийорганической резины), «Радпласт»
и др. можно отнести к группе радиационно-
стойких в условиях низких орбит, однако
для эксплуатации на высоких орбитах, в
частности на ГСО, они неприменимы. Труб-
ки на основе поливинилхлорида имеют дос-
таточно высокую радиационную стойкость,
однако известно, что для ПВХ характерно
протекание цепного процесса дехлорирова-
ния. Уровень радиационно-инициированного
газовыделения для ПВХ достаточно высок,
поэтому его применение ограничено.
Основными компонентами клеев ВК-9,
К-300, БФ-4, ВК-41, ВК-36, АДВ-5, исполь-
зуемых на КА, являются эпоксидная смола,
Рис. 1.15.4. Зависимость модуля упругости
при растяжении полимерного
композиционного материала от величины
поглощенной дозы D у-излучения
полиамид, органосилоксан, фенолформальдегидная смола, поливинилбутираль,
эпокси-полисульфоновая композиция, полиуретан. Радиационная стойкость клеев,
определяемая по наименее стойкому компоненту, как правило, невысока, и для ее
оценки очень важен учет реальной дозовой нагрузки в условиях эксплуатации. Рези-
ны на основе метилстирольного и силиконового каучуков имеют наиболее высокую
радиационную стойкость. Предельные дозы лежат в области 105-106 Гр.
Следует отметить, что чрезвычайная чувствительность радиационных эффектов к
тонким особенностям структуры полимера и, соответственно, их зависимость от пре-
дыстории образца (технологии приготовления, хранения и др.), предварительной
подготовки образца (условий кондиционирования, уровня вакуума), температуры
облучения способствуют возникновению широкого разброса справочных данных по
радиационным эффектам. В связи с этим оценка радиационной стойкости полимера в
тех или иных условиях эксплуатации требует критического анализа имеющихся
справочных данных и проведения дополнительных испытаний непосредственно на
образцах материала, предназначенного к применению. Использование для этих целей
только справочных данных может привести к ошибочному заключению о примени-
мости материала.
1.15.2.2. Радиационные эффекты, связанные с изменением электрофизических
характеристик ПМ
Изменения электропроводности, диэлектрической проницаемости, тангенса угла
диэлектрических потерь, электрической прочности полимеров при их облучении
принято разделять на обратимые и необратимые [15, 16]. Под обратимыми пони-
мают такие изменения, которые имеют место непосредственно в процессе воздей-
ствия излучения. Необратимыми называют изменения, сохраняющиеся в течение
продолжительного времени после окончания облучения. Таким образом, необрати-
422
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
мые электрические эффекты напрямую связаны с изменением структуры полимера,
обратимые - опосредовано.
Круг электрических явлений, индуцируемых воздействием ИИ, достаточно ши-
рок. К основным можно отнести радиационную электропроводность (РЭ), наблюдае-
мую непосредственно в процессе облучения и обусловленную свободными зарядами
(электронами и дырками), которые создаются под воздействием ИИ, радиационно-
индуцированную поляризацию, возникающую за счет образования полярных про-
дуктов радиолиза, сшивания и деструкции полимерных цепей, электризацию и
электрические пробои, связанные с накоплением и стабилизацией в объеме поли-
мера избыточных заряженных частиц. Различная природа указанных процессов
обуславливает развитие методически существенно отличающихся направлений ра-
диационных испытаний полимеров электротехнического назначения [16].
Характеристики РЭ и методы ее измерения рассмотрены в гл. 1.12, 1.13. В по-
следнее время в этом направлении был получен ряд принципиальных результатов,
позволяющих понять роль специфики полимерного строения в переносе заряженных
частиц [17, 18]. Были обнаружены необычные зависимости РЭ от времени облучения,
поглощенной дозы, внешнего давления и др. Показано, что для ряда полимеров (ПЭ,
ПЭТ, ПВХ, фторполимеры и др.) характерна необратимая зависимость ее величины
от дозы облучения, диапазон изменения РЭ с дозой достигает нескольких порядков
величины в интервале 0-10 Мрад.
Радиационно-индуцированную поляризацию изучают методами диэлектрической
релаксации, термостимулированной и изотермической поляризации и деполяризации.
В этом классе явлений основное внимание уделяется обычно диэлектрической релак-
сации, т. е. измерениям диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектри-
ческих потерь при различных частотах, температурах и условиях облучения (среда,
поглощенная доза, температура). Следует отметить, что все перечисленные радиаци-
онно-индуцированные электрические явления «чувствительны» к молекулярно-
динамическим характеристикам полимера (полярности, кристалличности, молеку-
лярной подвижности и др.). Поэтому практически всегда существует если не прямая,
то опосредованная связь подвижности и концентрации радиационно-генерируемых
зарядов (или диполей) с радиационно-химическими процессами (сшивания, деструк-
ции и др.). В конечном счете «электрические» радиационные эффекты коррелируют с
«механическими».
Диэлектрическая проницаемость 8 определяется природой и подвижностью дипо-
лей. Для корректного анализа влияния облучения на величину 8 проводят ее измере-
ния в широком интервале температур (или частот), включающем области разморажи-
вания (или резонанса) а-, Р- и у-релаксации. Значения диэлектрической проницаемо-
сти мало чувствительны к радиационным эффектам. Это легко понять, если сравнить
концентрацию полярных продуктов радиолиза (обычно 1017-1019 см"3) с концентра-
цией диполей (порядка 1023 см"3), ответственных в полимере за дипольно-групповую
или сегментальную поляризацию. Однако для большинства полимеров такие измене-
ния надежно регистрируются, и в первую очередь влияние облучения сказывается на
крупномасштабной сегментальной а-релаксации, связанной с кооперативным движе-
нием нескольких куновских сегментов. При этом облучение влияет не только на ве-
ГЛАВА 1.15
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ...
423
личину диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, но
и на положение максимумов потерь, смещая их в область более высоких или низких
температур в зависимости от характера изменений спектра релаксации. В табл. 1.15.2
представлены данные по влиянию облучения на диэлектрическую проницаемость
ряда ПМ при комнатной температуре (293 К) и частоте 103 Гц. Подборка данных сде-
лана с использованием [1]. Как видно из табл. 1.15.2, радиационно-стойкие полимеры
и композиции (например, полистирол, полиимид, поликарбонат, стеклотекстолиты,
арилокс, пенопласты) характеризуются изменениями 8 в интервале ±5% при дозах
1-10 МГр. Точность измерения 8 обычно составляет ±2%, поэтому указанные эффек-
ты близки к интервалу экспериментальной погрешности. Для полимеров, имеющих
более высокие значения радиационно-химического выхода продуктов радиолиза (1-5
на 100 эВ), например, для ПЭТ и ПЭ, изменения 8 достигают 15%, а для мно-
гокомпонентных систем (эмалей, лаков), которые содержат низкомолекулярные лег-
Таблица 1.15.2
Влияние облучения на диэлектрическую проницаемость полимерных материалов
Материал Исходное значение 8 Поглощенная доза, МГр Д8П Д8, %
Полистирол (40 мкм) 2,58 3,0 -0,15 -5,8
Полиэтилентерефталат (20 мкм) 3,50 3,0 +0,30 +8,6
Полиимид (95 мкм) 4,00 10,0 -0,20 -5,0
Полиэтилен низкой плотности 2,40 3,0 +0,30 +12,5
Полиэтилен высокой плотности 2,69 3,0 +0,07 +2,6
Смола поликарбонатная 3,30 5,0 -0,10 -3,0
Стеклопластик Т-10 3,90 1,0 +0,10 +2,5
Стеклотекстолит СФ-2-35 5,30 10,0 -0,10 -2,0
Арилокс 2,90 10,0 -0,10 -3,4
Пенопласт ППУ-3 1,70 3,0 +0,08 +4,7
Пенопласт ППИ-2 1,52 3,0 -0,05 -з,з
Пеногерметик ВПГ-300 2,53 1,0 +0,11 +4,3
Резина ИРП-1267 5,70 3,0 -0,40 -7,0
Эмаль ЭП-91 4,21 1,0 +0,69 + 16,4
Эмаль ЭП-730 3,97 1,0 -0,44 -11,1
Лак ГФ-95 2,90 1,0 -0,43 -14,8
Лак ФЛ-582 3,53 1,0 +0,34 +9,6
ЭП-140 2,30 3,0 +0,20 +8,7
Лак ВЛ-725 7,80 3,0 -4,30 -55,0
° Все значения е приведены для комнатной температуры (293 К) и v = 103 Гц. Отрицательные значения
Де соответствуют уменьшению е, положительные - увеличению.
424
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
колетучие полярные вещества, удаляемые из объема образца при облучении в вакуу-
ме, - 50%. Для последних характерен очень высокий уровень газовыделения и потери
массы [1].
Значительный интерес для космического материаловедения представляет явле-
ние аномально большой радиационно-индуцированной поляризации, возникающей
непосредственно в процессе облучения полимера и сохраняющейся после об-
лучения [16, 17]. Наиболее сильные эффекты обнаружены во фторсодержащих по-
лимерах, в частности Ф-4МБ и политетрафторэтилен (ПТФЭ). Диэлектрическая
проницаемость для указанных полимеров увеличивается до 40%, тангенс угла ди-
электрических потерь - до трех порядков величины.
Радиационно-индуцированная поляризация, обнаруженная для ПТФЭ и Ф-4МБ,
соответствует образованию диполей, обладающих очень высоким дипольным
моментом. В работах [17-19] проведено систематическое изучение этого эффекта
методами диэлектрической релаксации, термостимулированной и изотермической
поляризации и деполяризации и установлена его природа.
Типичный вид зависимости диэлектрической проницаемости £ и тангенса угла
диэлектрических потерь tg 8 от времени облучения электронами на примере пленки
ПТФЭ приведен на рис. 1.15.5. Облучение
проводилось при комнатной температуре,
энергия электронов составляла 9 МэВ,
мощность дозы - 20 Гр-с"1. В рамках де-
баевской модели поляризации получаем
при у = 94Гц Дб = 0,72. Значение эффек-
тивного дипольного момента при этом
составит: цэф = N)xl2 ~ 10"28 Кл-м,
что приблизительно на два порядка выше
возможных значений для дипольно-
групповых потерь. Максимум диэлектри-
ческих потерь для ПТФЭ обычно фор-
мируется при Г)«104Гр. Концентрация
полярных продуктов при этой дозе и
максимально возможном выходе (7=10
(1 на 100 эВ) не превысит N= 1018 см"3.
Значения электропроводности на перемен-
ном токе при такой концентрации диполей
не более 10”14 Ом"1-см"1, что на три поряд-
ка величины ниже экспериментально на-
блюдаемых. Аналогичное поведение ди-
электрических характеристик наблюдается
для Ф-4МБ. Анализ данных [19] позволил
сделать вывод о реализации ионно-пар-
ного механизма поляризации, т. е. об об-
разовании в полимерах долгоживущих
электронно-дырочных пар.
0 10 20 /, мин
Рис. 1.15.5. Зависимость £ и tgS пленок
ПТФЭ (180 мкм) от времени облучения
электронами при различных частотах v:
1 - 94; 2 - 260; 3 - 500; 4 - 1 000 Гц
ГЛАВА 1.15
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ...
425
1.15.3. Макроскопические свойства полимеров при неоднородном облучении
Радиационные эффекты, связанные с действием малопроникающих излучений,
изучены пока недостаточн©. Тем не менее имеющиеся в литературе данные позволя-
ют сделать вывод о том, чт® влияние таких излучений на макроскопические свойства
ПМ оказывается неожиданно сильным [20-23]. Рассмотрим данные, полученные в
работах [21-23] по исследованию пленок ПТФЭ и сополимера тетрафторэтилена с
гексафторпропиленом (Ф-4МБ) при действии ВУФ.
Таблица 1.15.3
Разрывная прочность и относительное удлинение исходных пленок фторопластов
Свойство Ф-4МБ, толщина ПТФЭ, толщина
30 мкм 100 мкм 110 мкм
Разрывная прочность, МПа 68 64 26,4
Относительное удлинение при разрыве, % 120 160 300
В качестве источника дальнего ультрафиолета, моделирующего действие корот-
коволновой области излучения Солнца, в работах [21-23] использовали криптоновые
газоразрядные резонансные лампы КрР-2-2, испускающие монохроматическое излу-
чение на длине волны 123,6 нм (85%), что близко к длине волны водородной линии
Лаймана (121,57 нм), а также 116,5 нм (10%) и 147 нм (5%). Интенсивность излуче-
ния составляла 1014-1015 см"2-с-1. Большинство полимеров имеют в этой области
спектра высокие коэффициенты экстинкции (~104-105 см"1). Полное выделение энер-
гии при поглощении излучения с длиной волны 123,6 нм происходит в поверхност-
ном слое толщиной не более 1 мкм. Механические характеристики образцов до и
после облучения определяли на разрывной
машине при растяжении со скоростью
12 мм-мин”1. Исходные характеристики при-
ведены в табл. 1.15.3.
Были исследованы зависимости порого-
вой дозы облучения (экспозиции), при ко-
торой происходит разрушение нагружен-
ных пленок фторопластов, от нагрузки, а
также прочности облученных в ненагру-
женном состоянии фторопластов от дозы
облучения и кинетические закономерности
фотоактивированной пластической дефор-
мации в режиме ползучести.
Общий характер изменения ползучести
под действием излучения с длиной волны
123,6 нм интенсивностью 1015см"2-с-1 при
различных нагрузках пленки Ф-4МБ тол-
щиной 30 мкм показан на рис. 1.15.6. По-
Рис. 1.15.6. Влияние коротковолнового
излучения на процесс ползучести пленки
Ф-4МБ при различных напряжениях:
1 - 22,1; 2 - 18,4; 3 - 14,7; 4 - 11,8 МПа.
Стрелками указаны моменты
включения света (123,6 нм)
426
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
добное поведение наблюдалось и для пленок ПТФЭ. Включение света при различ-
ных степенях предварительной деформации (e = bL/L) приводит после некоторого
инкубационного периода продолжительностью в несколько минут к резкому увели-
чению скорости ползучести - она возрастает до 30 раз. При выключении света она
уменьшается до термически равновесного значения, т. е. эффект изменения скорости
деформации является обратимым.
Закономерности фотоактивированной ползучести материалов требуют детального
изучения. Однако сам факт резкого увеличения скорости ползучести пленок, в кото-
рых толщина обработанного светом слоя не превышает 1-2% от общей толщины,
свидетельствует о дальнодействующем механизме влияния малопроникающего излу-
чения, так как ползучесть определяется процессами пластической деформации во
всем объеме, а не в тонком поверхностном слое. Возможно, что ползучесть вызвана
образованием большого количества трещин на поверхности и их прорастанием под
Рис. 1.15.7. Зависимость разрывной
прочности су от времени предварительного
облучения t светом 123,6 нм:
1 - под нагрузкой, 2 - без нагрузки;
а - пленка Ф-4МБ толщиной 30 мкм,
б - пленка ПТФЭ толщиной 110 мкм
действием света вглубь образца либо мигра-
цией химически активных низкомолекуляр-
ных продуктов радиолиза. На рис. 1.15.7
представлена зависимость разрывной проч-
ности пленок Ф-4МБ и ПТФЭ от экспозиции
света длиной волны 123,6 нм при интенсив-
ности 5-1014 см"2-с-1 . Видно, что снижение
прочности облучаемого без нагрузки мате-
риала начинается лишь после нескольких
часов облучения, в то время как облучение
под нагрузкой, составляющей 50% исходной
прочности, приводит к быстрому разруше-
нию пленок.
Таким образом, при сопоставимых раз-
рушающих нагрузках на материал порого-
вая доза дальнего ультрафиолета, т. е. доза
(или флюенс квантов света), при которой
происходит разрушение полимера, при об-
лучении под нагрузкой оказывается на 3
порядка меньше, чем при облучении без
нагрузки. Соответственно, при сопостави-
мых дозах облучения разрушающее напря-
жение в 2-4 раза меньше при облучении
нагруженных пленок по сравнению с не-
нагруженными. Полученные результаты
свидетельствуют о существовании радиа-
ционного эффекта резкого усиления разру-
шающего действия ИИ при неоднородном
(поверхностном) облучении нагруженных
полимеров по сравнению с ненагружен-
ными образцами.
ГЛАВА 1.15
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ...
427
Характер влияния неоднородного облу-
чения на ПМ в ненагруженном состоянии
во многом подобен таковому при однород-
ном облучении. На рис. 1.15.8 представле-
ны данные по воздействию УФ-излучения
на разрывную прочность и относительное
удлинение при разрыве для ряда полимер-
ных тканей [24]. Здесь время облучения t
приведено в эквивалентных солнечных
днях (э. с.д.). Значительное уменьшение
прочности наблюдается для лавсановой
(полиэтилентерефталатной) ткани, обла-
дающей, как отмечалось выше, низкой ра-
диационной стойкостью при воздействии
проникающей радиации. Прочность ари-
мидной ткани после воздействия УФ-излу-
чения заметно увеличивается (20%). Отно-
сительное удлинение при разрыве для всех
тканей уменьшается, для лавсановой ткани
этот эффект максимален.
Для исследования деградации поверхно-
стных слоев материала при неоднородном
облучении используются также спектраль-
ные методы. В табл. 1.15.4 представлены
данные по влиянию малопроникающих ИИ
на коэффициент поглощения солнечного
излучения as тканей, пленок и тканепле-
ночных материалов. Толщина исследован-
ных образцов во всех случаях была больше
длины пробега ионизирующих частиц. Об-
лучение образцов проведено в ОАО «Ком-
позит» (электронами и протонами с энерги-
ей 40 кэВ, а также ЭМИС), НИИЯФ МГУ
(протонами с энергией 150, 300 и 500 кэВ),
МИФИ (электронами с энергией 100 и
Прочность
Рис. 1.15.8. Нормированная разрывная
прочность (а) и относительное удлинение
при разрыве (б) тканей в зависимости от
времени УФ-облучения: 1 - полиэфирная
ткань арт. 56038 (толщина - 280 мкм);
2 - оксалоновая ткань (110 мкм); 3 -
стеклоткань ТСОН-СОТ белая (110 мкм);
4 - фенилоновая ткань арт. 5403/4-77
(110 мкм); 5 - аримидная ткань
арт. 56420 (120 мкм)
200 кэВ). После облучения в вакууме образцы были выдержаны на воздухе в течение
не менее 30 дней. Оптические характеристики образцов измерены в НИФХИ
им. Л.Я. Карпова. Значения as определены путем математической обработки спект-
ров отражения в области длин волн 220-2 600 нм. Спектры отражения получены на
спектрофотометре Лямбда-9 (Perkin-Elmer), снабженном стандартной интегриру-
ющей сферой диаметром 60 мм. Зондирующий пучок света падал на образец под уг-
лом 8° к нормали, проведенной к поверхности образца, и освещал площадку разме-
ром приблизительно 5x5 мм. Отраженный и диффузно рассеянный свет собирался
в сфере, и его интенсивность регистрировалась ФЭУ и PbS приемниками. В качестве
Таблица 1.15.4
Влияние малопроникающих ИИ на коэффициент поглощения солнечного излучения тканей и пленок
«5, исх. Электроны Протоны ЭМИС
Материал 40 кэВ 100 кэВ 200 кэВ 40 кэВ 150 кэВ 300 кэВ 500 кэВ 2500 э.с.ч.
Да$ Ф, см 2 Да$ Ф, см 2 Да$ Ф, см 2 Да$ Ф, см 2 Да$ Ф, см 2 Да$ Ф, см 2 Да$ Ф, см 2 Да$
ПМ-1ЭУ-ОА 0,45 -0,02° 1017 -0,02 2-10“ -0,04 2-10“ 0,12 1016 0,24 2-10“ 0,31 2-10“ 0,38 2-10“ -0,04
СОТ-1 С-100 0,12 0,27 10” 0,06 1016 0,1 10“ 0,04
НИИКАМ- ДПЛ 0,19 0,05 8-1016 0,07 2-Ю16 0,1 210“ 0,11 710“ 0,31 2-10“ 0,44 2-10“ 0,51 2-10“ 0,11
тсон-сот Мбц 0,09 0,11 10” 0,01 210“ 0,04 2-1016 0,09 1,3-10“ 0,06 2-10“ 0,01 2-10“ 0,07 2-10“ 0,15
Аримидная ткань 56420 0,41 0,05 1,2-10” 0,06 210“ 0,07 2-Ю16 0,11 10“ 0,21 2-10“ 0,25 210“ 0,3 2-10“ 0,01
Аримидная ткань 5359 0,38 0,11 910“ 0,04 210“ 0 210“ 0,06 6-10“ 0,23 2-10“ о,з 2-10“ 0,29 2-10“ 0,07
Аримидная ткань СЧ-5365 0,93 0,01 7-1016 0,01 2-10“ 0,01 2-Ю16 0,01 8-10“ 0,01 2-10“ -0,02
РАМ-1 0,39 0,03 10” -0,01 2-Ю'6 0 2-10“ 0,11 7-10“ 0,27 2-10“ 0,28 2-10“ 0,34 2-10“ -0,02
РАМ-2 0,36 0,06 10” -0,01 2-Ю16 -0,01 2-10“ 0,17 10“ 0,3 210“ 0,3 2-10“ 0,37 2-10“ 0,01
° Отрицательные значения соответствуют уменьшению а,.
428 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
ГЛАВА 1.15
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ...
429
стандартного образца использовали белый эталон - порошок BaSO4, нанесенный на
плоскую алюминиевую пластину, имеющий 97% отражение во всей указанной спект-
ральной области измерения.
1.15.4. Материалы нового поколения па основе
радиационно-модифицированного политетрафторэтилена
Особое место среди ПМ занимает ПТФЭ (другое название полимера - фторо-
пласт-4). В силу специфики конфигурации полимерной цепи, морфологии, релакса-
ционных и макроскопических свойств этот полимер можно выделить в отдельный
класс. ПТФЭ обладает уникальным комплексом физико-химических свойств: высо-
кой химической, термической и биологической стойкостью; высокими диэлектриче-
скими, антифрикционными и антиадгезионными свойствами, сохраняет хорошие
вязко-упругие свойства в области криогенных температур вплоть до температуры
жидкого гелия.
Применительно к космической технике важнейшее значение имеет возможность
использования ПТФЭ в качестве материала триботехнического и электротехническо-
го назначения. ПТФЭ может работать в узлах «сухого» трения в качестве самосмазы-
вающегося материала, поскольку обладает самым низким коэффициентом трения по
стали (0,04-0,06) и лучшими смазывающими свойствами. Преимущества ПТФЭ как
электротехнического материала связаны с низкими значениями диэлектрической
проницаемости и потерь в широком диапазоне частот, включая СВЧ-область.
Низкая износостойкость и высокая ползучесть не позволяют использовать ПТФЭ
в узлах трения в чистом виде. Поэтому его обычно используют в составе композиций
при различном содержании и сочетании наполнителей: кокса, графита, углеродного
волокна, стекловолокна, металлов и их оксидов, ультрадисперсных соединений и др.
[25, 26]. Разработанные в настоящее время композиции на основе ПТФЭ обладают в
500 и более раз меньшим износом по сравнению с чистым полимером [25, 26].
Создание композиций до сих пор являлось единственным эффективным способом
модифицирования ПТФЭ с целью повышения его износостойкости. Возможности
химического модифицирования ПТФЭ крайне ограничены в силу его химической
инертности, а синтез сополимеров тетрафторэтилена с другими перфторсоединения-
ми не приводит к получению материалов со свойствами, близкими к композициям.
Попытки радиационного модифицирования ПТФЭ при комнатной температуре в
среде воздуха и в вакууме с целью повышения его износостойкости не привели к
практически значимым результатам [25]. Увеличение износостойкости составляло
десятки раз, тогда как одновременно с этим наблюдалось существенное ухудшение
механических характеристик полимера.
Главным фактором, ограничивающим (а в большинстве случаев - исключающим)
использование в изделиях космической техники ПТФЭ как в чистом виде, так и в
составе композиций, является его чрезвычайно низкая радиационная стойкость. Воз-
действие ИИ приводит к деструкции полимерных цепей ПТФЭ, быстрому падению
молекулярной массы и, как следствие, ухудшению физико-механических характери-
стик. Доза половинного уменьшения прочности ПТФЭ составляет 1-3 кГр, что как
430
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
минимум на порядок ниже таковой для других деструктирующих полимеров и при-
близительно соответствует дозе, поглощаемой материалами на внешней поверхности
КА на низкой земной орбите менее чем за 1 год.
Вместе с тем в последнее время удалось получить модифицированный ПТФЭ, об-
ладающий значительно более высокой радиационной стойкостью. Ввиду высокой
практической значимости нового материала с точки зрения космических приложений
ниже дана информация о технологии его получения и свойствах.
1.15.4.1. Получение радиационно-стойкого ПТФЭ путем радиационно-химического
модифицирования
В последнее десятилетие было обнаружено необычное поведение ПТФЭ при его
облучении в узкой температурной области выше температуры плавления кристалли-
ческой фазы [27-34]. Ранее особенности высокотемпературного радиолиза ПТФЭ
отмечались в работах [35-40]. Было высказано предположение, что воздействие ИИ в
этой области температур ведет к образованию разветвленных (и сшитых) полимер-
ных цепей, в отличие от радиолиза в области температур ниже точки плавления, где
доминирует деструкция полимера.
Это направление исследований получило развитие в последние годы в совмест-
ных работах НИФХИ им. Л.Я. Карпова и НПО им. С.А. Лавочкина [41-44]. Целью
работ было создание технологии получения новых материалов триботехнического
и электротехнического назначения для изделий космической техники путем радиа-
ционно-химического модифицирования пленочных и блочных образцов ПТФЭ в
расплаве.
Необходимо отметить, что до сих пор в мировой литературе по радиационному
модифицированию ПТФЭ основное внимание уделялось исследованию пленочных
образцов. Для практики, наряду с пленочными материалами, большой интерес пред-
ставляют блочные образцы различной геометрии (диски, стержни, втулки и др.). Од-
нако радиационное модифицирование блочных образцов требует учета множества
дополнительных факторов, несущественных в случае пленочных образцов, и, по су-
ти, требует применения другой технологии. Так, для модифицирования блоков необ-
ходимо использовать источники гамма-излучения, а не электронные ускорители,
применяемые в случае пленок. Это ведет к значительному снижению мощности
дозы облучения и, соответственно, - вероятности проявления эффекта мощности
дозы, связанного с микро- и макродиффузионными стадиями радиационно-химиче-
ских процессов. Кроме того, блочные образцы содержат трудноудаляемую примесь
молекулярного кислорода, растворенного в объеме образца, что существенно влияет
на выход макрорадикалов (особенно сильно влияние кислорода на выход радикалов
именно в ПТФЭ [45]). Перечисленные факторы обуславливают известный в радиаци-
онной химии размерный эффект, проявление которого необходимо учитывать при
модифицировании ПТФЭ.
До начала наших работ в литературе также отсутствовали данные по ползучести,
диэлектрическим, триботехническим (коэффициенту трения и износу) и термомеха-
ническим свойствам радиационно-модифицированного ПТФЭ.
ГЛАВА 1.15
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ...
431
В результате проведенных исследований была разработана технология радиаци-
онного модифицирования блочных образцов ПТФЭ различной геометрии. Установка
создана на базе гамма-источника 60Со К-120000 НИФХИ им. Л.Я. Карпова и позво-
ляет модифицировать образцы ПТФЭ цилиндрической формы диаметром до 90 мм и
высотой до 150 мм. Разработаны ТУ на изготовление трех марок радиационно-моди-
фицированного фторопласта (Флюорон-4П-20, Флюорон-4Ф-20, Флюорон-4Ч-20) для
различных технических приложений.
Полученные образцы радиационно-модифицированного ПТФЭ обладают сущест-
венно более высокими характеристиками не только по отношению к исходному
ПТФЭ, но и по отношению к его композициям. Они имеют в 104 раз более высокую
износостойкость, в 100-150 раз более низкую ползучесть при растяжении, в 10 раз
более низкое значение необратимой деформации при сжатии, в 100-300 раз более
высокую радиационную стойкость, в несколько раз более высокую прозрачность в
видимом спектральном диапазоне. При несущественном изменении химической и
биологической инертности по отношению к ПТФЭ, Флюороны сохраняют диэлек-
трические и антифрикционные характеристики на уровне исходного материала. По-
скольку радиационному модифицированию подвергается в основном надмолекуляр-
ная структура полимера на масштабе существенно превышающем размер элементар-
ного звена макромолекулы, хемо-, био-, термостойкость, диэлектрические свойства
и др. изменяются незначительно. Основные сравнительные характеристики исходно-
го и радиационно-модифицированного ПТФЭ представлены в табл. 1.15.5.
1.15.4.2. Свойства радиационно-модифицированного ПТФЭ
На рис. 1.15.9 приведены кривые ползучести для исходной и модифицированной
пленок (190 мкм) при повышенной температуре (250°С) и одинаковой нагрузке
0,5 МПа. Видно, что модифицирование приводит к уменьшению ползучести прибли-
зительно на один порядок. Поскольку разрывная прочность модифицированной
пленки ниже, чем исходной, то при одина-
ковой абсолютной нагрузке в случае моди-
фицированной пленки реализуется большее
относительное усилие растяжения. В связи с
этим истинный эффект уменьшения ползу-
чести при данной температуре в результате
модифицирования еще выше.
В табл. 1.15.6 приведены данные по ис-
пытанию образцов в виде стержней диамет-
ром 10 мм и высотой 20 мм на сжатие при
комнатной температуре и двух нагрузках 14
и 28 МПа. Радиационной обработке подвер-
гали готовые к испытаниям на сжатие об-
разцы указанных выше размеров. Время
действия нагрузки составляло 24 часа. Оста-
точную деформацию измеряли через 24 ча-
са после снятия нагрузки. Из табл. 1.15.6
Рис. 1.15.9. Кривые ползучести пленок
ТФЭ (190 мкм) при статической нагрузке
0,5 МПа и температуре (250°С):
1 - исходная, 2 - радиационно-
модифицированная пленка
432
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.15.5
Характеристики исходного и модифицированного ПТФЭ
Параметр Исходный Модифицированный
Коэффициент трения в кинематической схеме «палец-диск» 0,06-0,08 0,06-0,08
Коэффициент трения в кинематической схеме «вал-втулка» 0,10-0,12 0,08-0,14
Износ в кинематической схеме «палец-диск» при нагрузке 25 кг-см-2 и скорости скольжения 1 м-с-1; мг-час-1 900 0,1
Износ в кинематической схеме «вал-втулка» при нагрузке 6,8 кг-см-2 и скорости вращения вала 0,5 м-с-1; мг-м-1 25 0,06
Прочность при растяжении (пленка 100-250 мкм), МПа 25-30 20-25
Прочность при растяжении (пластина 2 мм), МПа 20-25 15-20
Относительное удлинение при разрыве, % 350-450 300-400
Модуль упругости при растяжении (пластина 2 мм); МПа 280 350
Предел вынужденной эластичности (пластина 2 мм); МПа 14 22
Ползучесть при комнатной температуре при статической нагрузке, составляющей 70% от разрывной прочности, за 100 часов; % 150 1-2
Ползучесть при 250°С при статической нагрузке 0,5 МПа за 2 часа; % 11 1,5
Деформация при сжатии при нагрузке 14 МПа за 24 часа; % 16 10
Необратимая деформация при сжатии через 24 часа после снятия нагрузки, равной 14 МПа; % 75 0
Деформация при сжатии при нагрузке 28 МПа за 24 часа; % 41 29
Необратимая деформация при сжатии через 24 часа после снятия нагрузки, равной 28 МПа; % 61 30
Диэлектрическая проницаемость при 109 Гц 2,1 2,1-2,2
Диэлектрические потери при 109 Гц 2,0-10-4 (2,0-3,0)10^
Оптическая прозрачность (пленка 500 мкм), % 30-40 70-80
Температура плавления, °C 327 300
Химическая стойкость высокая без изменений
Радиационная стойкость, Мрад 1 100-300
видно, что наибольшее отличие модифицированных и исходных образцов наблюда-
ется в величине остаточной деформации. Для исходных образцов относительная доля
необратимой деформации при 14 и 28 МПа составляет соответственно 75 и 61%. Для
модифицированных образцов при 14 МПа деформация носит полностью обратимый
характер, т. е. остаточная деформация близка к нулю. При 28 МПа относительная
доля необратимой деформации значительно ниже, чем для исходных образцов, и со-
ставляет 34%. Величина общей относительной деформации для модифицированных
ГЛАВА 1.15
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ...
433
Таблица 1.15.6
Относительная деформация исходного и модифицированного образцов ПТФЭ при сжатии
Образец Величина общей относительной деформации, % Величина остаточной относительной деформации, % Доля остаточной деформации в общей, %
14 МПа 28 МПа 14 МПа 28 МПа 14 МПа 28 МПа
Исходный 16 41 12 25 75 61
Модифицированный 10 29 0 10 0 34
образцов также заметно меньше, чем для исходных образцов (на 40% при 14 МПа и
на 30% при 28 МПа).
Были проведены также испытания износостойкости образцов чистого и графито-
наполненного ПТФЭ до и после радиационно-химической обработки. Радиационной
обработке, как и в случае испытаний на сжатие, подвергали образцы в виде цилинд-
ров диаметром 10 мм и высотой 20 мм. Результаты испытаний показали, что прог-
нозируемая величина уменьшения износа в результате модифицирования ПТФЭ в
указанных выше условиях испытаний составляет пять порядков.
Важный результат был получен при исследовании термомеханических свойств
исходного и радиационно-модифицированного ПТФЭ (рис. 1.15.10, 1.15.11). В об-
ласти температур ниже температуры плавления деформационные кривые исходного
ПТФЭ лежат ниже, чем у облученного. Однако в области расплава величина дефор-
мации у облученных образцов резко увеличивается (рис. 1.15.10). При этом большая
часть этой дополнительной деформации приходится на долю ее обратимой состав-
ляющей (рис. 1.15.11). Полученный результат согласуется с данными по деформации
сжатия и свидетельствует о приобретении модифицированным ПТФЭ каучукоподоб-
ных свойств.
Рис. 1.15.10. Термомеханические кривые
пленочных образцов исходного и
облученного в расплаве ПТФЭ:
1,2- исходный при 0,375 и 0,625 МПа;
3 - облученный дозой 20 Мрад при 0,625 МПа
Рис. 1.15.11. Относительная деформация
пленок ПТФЭ, облученных дозой 20 Мрад
в области температур выше точки
плавления: 1 - общая деформация,
2 - необратимая часть деформации
434
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Значения диэлектрической проницаемости 8 модифицированного ПТФЭ на часто-
тах 3, 4 и 6 ГГц находятся в интервале 8 = 2,1—2,2. Значения тангенса угла диэлек-
трических потерь tgS на тех же частотах составляют tg 5 = (2,15-2,35)4 (Г4. Таким
образом, изменения диэлектрической проницаемости и потерь при радиационном
модифицировании малы и не превышают соответственно 6% и 15%. Разработанный
материал, по сравнению с ранее используемым «Арилокс-100», имеет значительно
меньшие потери в диапазоне частот от 3 до 8 ГГц. Коэффициент уменьшения потерь
находится в интервале от 3 до 3,5 раз.
Данные по радиационной стойкости модифицированного ПТФЭ (200 кГр, облуче-
ние в вакууме 10"5торр при температуре 35°С) представлены в табл. 1.15.7. При по-
глощенной дозе 1 000 кГр измерить механические характеристики исходного мате-
риала не удается ввиду его сильного охрупчивания. Модифицированный ПТФЭ со-
храняет целостность и прочность на уровне 6 МПа при поглощенной дозе 3 000 кГр.
Анализ результатов исследований позволил сделать выводы относительно ме-
ханизма радиационного модифицирования ПТФЭ вблизи температуры плавления
кристаллической фазы. Изменения макроскопических свойств ПТФЭ обусловлены
следующими структурными изменениями:
• уменьшением молекулярной массы;
• уменьшением размера кристаллитов;
• увеличением конформационной подвижности полимерных цепей;
• формированием сетки физических узлов зацеплений в аморфной фазе.
Происходящие структурные изменения определяются конкуренцией нескольких
процессов:
• термическим распадом макрорадикалов и образованием короткоцепных раз-
ветвлений (в инертной среде);
• терморадиационной окислительной деструкцией (в присутствии примеси кис-
лорода), а также термическим распадом макрорадикалов, образованием корот-
коцепных разветвлений и образованием полиеновых сопряженных структур
(в присутствии примесей кислорода и воды).
Условия облучения ПТФЭ в расплаве (температура, состав среды, мощность до-
зы) изменяют относительные вклады конкурирующих процессов и определяют вели-
чину и направление изменений структуры и макроскопических свойств.
Результаты выполненных исследований указывают на перспективность примене-
ния нового материала в космической отрасли, а также в других отраслях промыш-
ленности, традиционно потребляющих ПТФЭ.
Таблица 1.15.7
Разрывная прочность, [МПа], исходного и радиационно-модифицированного ПТФЭ
Образец Поглощенная доза, кГр
200 1000 3 000
Исходный 6 _i) _1)
Модифицированный 12 И 7
° Образец полностью охрупчивается.
ГЛАВА 1.15
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ...
435
ЛИТЕРАТУРА
1. Радиационная стойкость органических материалов. Справочник. Под ред. Милинчука В.К. и Тупико-
ва В.И. М.: Энергоатомиздат, 1986. 171 с.
2. Милинчук В.К., Клиншпонт Э.Р., Тупиков В.И. Основы радиационной стойкости органических мате-
риалов. М.: Энергоатомиздат, 1994. 251 с.
3. Хенли Э., Джонсон Э. Радиационная химия. М.: Атомиздат, 1974,415 с.
4. Пикаев А.К. Современная радиационная химия. Основные положения. Экспериментальная техника и
методы. М.: Наука, 1985, 374 с.
5. Каплан И.Г., Митерев А.М. Первичные процессы в радиационной химии и их особенности в конден-
сированной фазе. Химия высоких энергий, 1985, т. 19, № 3, с. 208-217.
6. Фельдман В.И. Молекулярные механизмы селективных эффектов в радиационной химии органиче-
ских и полимерных систем. Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 2. Химия, 2001, т. 42, № 3, с. 194-205.
7. Feldman V.I. Selective localization of primary radiation-chemical events in solid aliphatic hydrocarbons and
related polymers as evidenced by ESR. Appl. Radiat. Isot., 1996, v. 47, No 11, pp. 1497-1501.
8. Гилетт Д. Фотофизика и фотохимия полимеров. М.: Мир, 1988,435 с.
9. Фельдман В.И., Сухов Ф.Ф., Словохотова Н.А. Селективность радиационно-химических процессов в
низкомолекулярных и полимерных углеводородах. Высокомолек. соед. Б., 1994, т. 36, № 3, с. 519-543.
10. Фельдман В.И. Основы селективности радиационно-химических процессов в полимерных системах.
Росс. Хим. Журнал, 1996, т. 40, № 6, с. 90-97.
11. Пикаев А.К. Современная радиационная химия. Твердое тело и полимеры. Прикладные аспекты.
М.: Наука, 1987,448 с.
12. Радиационная химия макромолекул. Под ред. Доула М. М.: Атомиздат, 1978, 326 с.
13. Козлов Л.В., Нусинов М.Д., Акишин А.И., Залетаев В.М., Козелкин В.В. Моделирование тепловых
режимов космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1971,225 с.
14. Toupikov V. I., Briskman В.A., Khatipov S.A. Proc, the Workshop «Methodologies for Ground Simulation of
the Space Environment», Southhampton, Great Britain, 1996, pp. 11-17.
15. Вайсберг С.Э. Обратимые радиационные эффекты в полимерах. Радиационная химия полимеров. Под
ред. акад. Каргина А.А. М.: Наука, 1973, 376 с.
16. Ванников А.В., Матвеев В.К., Сичкарь В.П., Тютнев А.П. Радиационные эффекты в полимерах. Элек-
трические свойства. М.: Наука, 1982, 272 с.
17. Хатипов С.А. Радиационно-индуцированные процессы электронного транспорта в полимерных ди-
электриках (обзор). Химия высоких энергий, 2001, т. 35, № 5, с. 323-339.
18. Хатипов С.А. Радиационно-индуцированные процессы электронного транспорта в полимерных ди-
электриках. Дисс. на соиск. уч. степени докт. физ.-мат. наук. М.: НИФХИ им. Л.Я. Карпова, 2000, 322 с.
19. Khatipov S.A., Zhutayeva Yu.R., Smirnova N.A., SichkarV.P. Ionic-pair mechanism of radiation-induced
electrical polarization in fluoropolymers. Nucl. Instrum, and Meth, in Phys. Res. B, 1999, v. 151,
pp. 324-329.
20. Milintchouk A., Van Eesbeek M., Holmes-Siedle A., Levadou F. Degradation of materials under the action of
soft X-ray radiation from solar flares. Proc, of the 7th Symposium on Materials in Space Environment. Tou-
louse, France, 16-20 June 1997, pp. 87-96.
21. Tupikov V.I., Chemiavsky A.I., Khatipov S.A., Milinchuk V.K., Stepanov V.F., Milinchuk A.V. Degradation
of teflon PTFE and FEP exposed to far ultraviolet radiation. Proc, of the 6th Symposium on Materials in a
Space Environment. ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 1994, pp. 149-164.
22. Toupikov V.I., Khatipov S.A., Chemiavsky A.I., Stepanov V.F. Degradation of mechanical and electrophysi-
cal properties of teflon FEP films under combined action of far ultraviolet and thermal cycling. Proc, of the
7th Symposium on Materials in Space Environment, Toulouse, France, 16-20 June 1997, pp. 77-85.
23. Тупиков В.И., Хатипов С.А., Степанов В.Ф. Исследование деградации полимеров под действием даль-
него ультрафиолетового излучения. I. Физика и химия обработки материалов. 1997, № 1, с. 36-41.
24. Shavarin Yu.Ya., Blinova S.L., Abuzov N.M., Alexejev S.V., Shulga A.I. Simulation tests of polymeric mate-
rials intended for long-term spacecraft missions in radiation fields. Proc, of the 6th Symposium on Materials
in a Space Environment. ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 1994, pp. 401-410.
436 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
25. Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе
фторполимеров. М.: Наука, 1981,460 с.
26. Пугачев А.К., Росляков О.А. Переработка фторопластов в изделия. Л.: Химия, 1987, 182 с.
27. Lappan U., GeiBler U., Lunkwitz К. Changes in the chemical structure of polytetrafluoroethylene induced by
electron beam irradiation in the molten state. Rad. Phys. Chem., 2000, v. 59, No 3, pp. 317-322.
28. Lappan U., GeiBler U., Lunkwitz K. J. Appl. Polym. Sci., 1999, v. 74, No 6, p. 1571.
29. Lappan U., GeiBler U., HauBler L., Jehnichen D., Pompe G., Lunkwitz K. Radiation-induced branching and
crosslinking of poly(polytetrafluoroethylene) (PTFE). Nucl. Instrum, and Meth. In Phys. Res. B, 2001, v. 185,
No 1-4, pp. 178-183.
30. Oshima A., Tabata Y., Kudoh H., Seguchi T. Radiation induced crosslinking of polytetrafluoroethylene. Rad.
Phys. Chem., 1995, v. 45, No 2, pp. 269-278.
31. Oshima A., IkedaS., Seguchi T., Tabata Y. Improvement of radiation resistance for polytetrafluoroethylene
(PTFE) by radiation crosslinking. Rad. Phys. Chem., 1997, v. 49, No 2, pp. 279-286.
32. Oshima A., Seguchi T., Tabata Y. ESR study on free radicals trapped in crosslinked polytetrafluoroethyl-
ene(PTFE)-II radical formation and reactivity. Rad. Phys. Chem., 1999, v. 55, No 1, pp. 61-71.
33. Katoh E., Sugisawa H., Oshima A., Tabata Y., Seguchi T., YamazakiT. Evidence for radiation induced
crosslinking in polytetrafluoroethylene by means of high-resolution solid-state 19F high-speed MAS NMR.
Rad. Phys. Chem., 1999, v. 54, No 2, pp. 165-171.
34. Tabata Y., Ikeda S., Oshima A. Radiation-induced crosslinking and grafting of polytetrafluoroethylene. Nucl.
Instrum. And Meth. Phys. Res., 2001, v. 185, No 1-4, pp. 169-174.
35. Карпов В.Л. Сессия Академии наук СССР по мирному использованию атомной энергии. Заседание
отделения химических наук. М.: Изд-во АН СССР, 1955, с. 3.
36. Словохотова Н.А. Исследование методом инфракрасной спектроскопии химических изменений, про-
исходящих в политетрафторэтилене (тефлоне) под влиянием ионизирующих излучений. В кн.: Дейст-
вие ионизирующих излучений на неорганические и органические системы. Отв. ред. проф. Пшежец-
кий С.Я. М.: Изд-во АН СССР, 1958, с. 295-306.
37. Янова Л.П., Таубман А.Б. Исследование радиационной стойкости высокополимеров. II. О роли газооб-
разования при разрушении полимеров. В кн.: Действие ионизирующих излучений на неорганические и
органические системы. Отв. ред. проф. Пшежецкий С.Я. М.: Изд-во АН СССР, 1958, с. 314-324.
38. Абрамова И.М., Казарян Л.Г., Тихомиров В.С. О высокотемпературном радиолизе фторопласта-4.
Высокомолек. соед. Серия Б., 1975, т. 17, № 8, с. 572-576.
39. Абрамова И.М., Казарян Л.Г., Большакова Н.И., Тихомиров В.С. Изменение структуры политетрафто-
рэтилена в результате облучения при повышенных температурах. Высокомолек. соед. Серия Б., 1991,
т. 32, № 1,с. 28-32.
40. Tutiya М. Nuclear Magnetic resonance absorption of polytetrafluoroethylene y-irradiated at high tempera-
tures. Japan. J. Appl. Phys., 1972, v. 11, No 10, pp. 1542-1546.
41. Хатипов C.A., Соболев Г.П., Селиверстов Д.И., Иванченко В.К., Цвелев В.М., Алексеев С.В. Получе-
ние износостойкого политетрафторэтилена путем радиационно-химического модифицирования в рас-
плаве. Тез. докл. Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и три-
бология» (Поликомтриб-2005). 18-21 июля 2005 г. Гомель, Беларусь, с. 84.
42. Хатипов С.А., Иванченко В.К. Технология радиационно-химического модифицирования политетраф-
торэтилена в расплаве. Тез. докл. II Всеросс. Конф. Прикладные аспекты химии высоких энергий.
М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004, с. 120.
43. Хатипов С.А., Селиверстов Д.И., Иванченко В.К. Радиационно-химическое модифицирование поли-
тетрафторэтилена вблизи температуры плавления кристаллитов. Тез. Докл. IV Баховской конф, по ра-
диационной химии. М., 2005, с. 131.
44. Хатипов С.А., Нурмухаметов Р.Н., Селиверстов Д.И., Сергеев А.М. Спектрофотометрический и лю-
минесцентный анализ политетрафторэтилена, подвергнутого у-облучению вблизи температуры плав-
ления. Высокомолек. соед. А, 2006, т. 48, № 2, с. 263-270.
45. Фторполимеры. Под ред. Уолла Л. Пер. с англ, под ред. Кнунянца И.Л., Пономаренко В.А. М.: Мир,
1975,448 с.
ГЛАВА 1.16
ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
НА ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Акишин А.И., Цепляев Л.И.
НИИ ядерной физики МГУ
Список сокращений
ВС волоконные световоды
КА космический аппарат
ЛПЭ линейная потеря энергии
НП наведенное поглощение
РНП радиационно-наведенное поглощение
ВВЕДЕНИЕ
В космических аппаратах (КА) широко применяются оптические материалы, оп-
тико-электронные приборы и элементы. Иллюминаторы, линзы, призмы, световоды,
входные окна фотоэлектронных приборов, световые затворы, модуляторы - вот дале-
ко не полный перечень элементов, которые изготовляются из оптических или квар-
цевых стекол, лейкосапфира, щелочногалоидных кристаллов. Оптические элементы
могут быть объемными (окна, линзы), волоконными (световоды), пленочными.
Под действием космических ионизирующих излучений [1] происходит деграда-
ция оптических материалов. При их воздействии в оптических материалах наряду с
радиационными дефектами генерируется электронно-дырочная плазма. При реком-
бинации такой плазмы возникает радиолюминесценция, образуются радиационные
438
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
центры окраски и внедренный заряд. Эти эффекты могут отрицательно сказаться на
основных характеристиках оптических материалов [2-4].
Величина изменения коэффициента спектрального пропускания т^, спектральной
оптической плотности = - 1g тх, спектрального поглощения стекол и других
оптических материалов в видимом диапазоне длин волн в основном определяется
дозой излучения. Оптическая плотность Dk связана с коэффициентом поглощения
выражением:
/
D>. = JaxW<&.
О
1.16.1. Источники излучений и методика испытаний
Для исследования радиационной стойкости стекол и волоконно-оптических ка-
белей применялись различные источники ионизирующих излучений, в том числе
следующие устройства:
• линейный ускоритель электронов (ИМЕТ РАН) с параметрами облучения:
энергия 2 МэВ, плотность тока ~1 мкА-см"2, флюенс ~1012-1015 см"2, доза излу-
чения ~103—106 Гр;
• 120-см циклотрон (НИИЯФ МГУ) со следующими параметрами облучения:
энергия протонов 6,3 МэВ, плотность тока ~0,2-0,1 мкА-см"2, флюенс
1012-1014 см"2, доза излучения 104-106 Гр;
• рентгеновская установка РУП-400 (НИИЯФ МГУ) с параметрами облучения:
энергия рентгеновского излучения 400 кэВ, мощность дозы —0,1 Гр-см"1, доза
излучения ~103 Гр;
• источник у-излучения на базе 60Со;
• линейный протонный инжектор с энергией протонов 30-100 МэВ (ИФВЭ).
В качестве имитатора электромагнитного излучения Солнца за пределами атмо-
сферы Земли [5] использовались установки с лампами ДКсР-3000 и ДКсШ-1000, ко-
торые широко применяются для имитации электромагнитного излучения Солнца в
диапазоне 0,2-0,75 мкм [6].
Для монохроматического облучения светом стекол использовался монохроматор
ЗМР-З с кварцевой оптикой. В процессе испытаний контролировалась энергетическая
освещенность образца, определялся интегральный коэффициент пропускания света в
интервале длин волн 0,4-0,75 мкм, а также регистрировалось изменение интеграль-
ной оптической плотности стекла на длине волны X:
А/)фх = -^(тХ2/тХ1), (1.16.1)
где тхь - интегральный коэффициент пропускания стекла до и после облучения
соответственно.
Условия облучения стекол электронами и протонами выбирались с учетом воз-
можности пребывания оптических элементов КА в радиационном поясе Земли более
10 лет.
ГЛАВА 1.16 ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 439
1.16.2. Исследование радиационного окрашивания оптических стекол
Радиационное окрашивание стекла в основном зависит от дозы и мощности до-
зы ионизирующего излучения и слабо зависит от его вида [3].
Наиболее распространенный метод испытания оптических стекол на радиаци-
онную стойкость состоит в измерении спектральных характеристик поглощения
или пропускания стекол до и после облучения. Наведенные спектры поглощения
стекол можно представить как наложение многочисленных полос поглощения све-
та. Каждую полосу поглощения можно отнести к определенному радиационному
центру окраски. Поскольку стекла имеют очень сложную структуру, то не всегда
удается обосновать систему дефектов, ответственных за образование тех или иных
радиационных центров окраски.
В процессе воздействия ионизирующих излучений ловушки, имеющиеся в ма-
териале и ответственные за образование центров окраски, заполняются электро-
нами и дырками, что приводит к росту оптической плотности. В зависимости от
типа оптического стекла эти ловушки заполняются при дозах 103-106 Гр. В каче-
стве примера на рис. 1.16.1 показана зависимость приращения оптической плот-
ности Д£\ стекла К-8 от времени облучения протонами с энергией 6,3 МэВ при
плотности потока 2-1010 см“2-с-1 для различных длин волн. Следующая стадия про-
цесса состоит в медленном росте концентрации центров окраски на вновь образуе-
мых под действием энергичных корпускулярных излучений радиационных дефек-
тов в материале.
С увеличением мощности дозы излучения равновесный уровень приращения
оптической плотности стекол при одной и той же дозе излучения повышается. Од-
нако эта зависимость нивелируется в процессе изотермического отжига центров ок-
раски за короткий промежуток времени (т~ 100 с). Поэтому радиационные испыта-
ния стекол на относительную радиационную стойкость можно проводить в широком
интервале интенсивностей излучения.
На радиационное окрашивание стекол
большое влияние оказывают примеси.
Оптические стекла без специальных до-
бавок заметно окрашиваются при дозах
102-103 Гр. Для снижения степени радиа-
ционного окрашивания в оптические стекла
добавляют окись церия (0,5-1,5%), что эф-
фективно уменьшает наведенное поглоще-
ние (НП) в видимой части спектра при дозе
излучения до 106 Гр. Введение окиси церия
в состав стекла перемещает образование
центров окраски в ультрафиолетовую об-
ласть спектра.
Для понимания как механизмов взаи-
модействия излучения с веществом, так и
процессов формирования долгоживущих
Рис. 1.16.1. Изменение оптической
плотности стекла К-8 от времени
облучения для длин волн: 1 - 0,45 мкм;
2 - 0,5 мкм: 3 - 0,6 мкм
440
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.16.2. Зависимость Да от энергии
кванта света hv стекол К8 (1,2) и К108 (3,4).
Время после окончания импульса
электронов t = 10 нс (1, 3), 10 мкс (2, 4)
спектральная зависимость приращения
щения Да.
центров окраски представляют интерес
данные об изменении оптических
свойств материалов при импульсном
воздействии ионизирующего излучения
(т < 1 с). Методы оптической спектро-
скопии позволяют проводить такие
измерения. Спектры нестационарного
НП были получены для стекла кроновой
группы К8 и его радиационно-стойкого
аналога К108 для временного интервала
10"8-1 с после окончания облучения
импульсом высокоэнергичных электро-
нов длительностью 20 нс при темпера-
туре Г=295 К[7]. Стекла К8 и К108
имеют схожий химический состав, за
исключением наличия в последнем
ионов церия. На рис. 1.16.2 показана
коэффициента нестационарного погло-
С
понижением температуры оптического материала концентрация радиацион-
ных центров окраски заметно возрастает за счет заполнения электронами и дырка-
ми неглубоких энергетических ловушек в запрещенной зоне диэлектрика. Неглубо-
кие ловушки частично опустошаются при повышении температуры до комнатной и
выше. При нагреве облученных стекол наблюдается их обесцвечивание, т. е.
уменьшение индуцированной оптической плотности [8-10]. Так, например, термо-
отжиг стекла марки К-8 проводился в изотермическом режиме при облучении про-
тонами с энергией 6,3 МэВ, флюенсом 1013 см"2, Д ~ 104 Гр (рис. 1.16.3)
Рис. 1.16.3. Зависимость изменения
спектральной оптической плотности Д£>х
от времени отжига при Т= const, [К]:
1 - Т= 343; 2 - Т= 353; 3 - Т= 383;
4-7= 393; 5-7=413; 6- Т= 443
Зависимости Д/\ (X = 0,5 мкм) при
изотермическом отжиге центров окраски
при комнатной температуре, построен-
ные как функция логарифма времени
отжига, линеаризуется на довольно
большом интервале изменения логариф-
ма времени (рис. 1.16.3). Это обстоя-
тельство позволяет предположить, что
при отжиге центров окраски в исследуе-
мых стеклах имеет место «ступенчатый»
отжиг, когда при заданной температуре
быстро исчезает лишь определенная
часть радиационных центров окраски, а
остальная часть остается практически
стабильной, но при дальнейшем повы-
шении температуры исчезновение ра-
диационных центров окраски продолжа-
ГЛАВА 1.16 ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
441
ется[11]. На рис. 1.16.4 приведена за-
висимость относительного изменения
спектральной оптической плотности
Д£\/Д£\(0) оптических стекол марки
«крон» К-8 (1,2) и «флинт» Ф-1 (3, 4) от
времени при ступенчатом отжиге (при-
ращение температуры 50°С через каждые
15 мин) (кривые 1,3), и отжиге при ли-
нейном изменении температуры со ско-
ростью 200 град.-ч"1 (кривые 2, 4). Здесь
Д£\(0) - приращение Д£>х до термическо-
го отжига.
Из экспериментов по изотермическо-
му и изохронному термоотжигу была
получена зависимость производной изме-
нения оптической плотности по темпера-
туре d(&D\)/dT от температуры отжига
(рис. 1.16.5).
В основе описания кинетики «сту-
пенчатого» отжига лежит идея о сущест-
вовании радиационных центров окраски,
поглощающих монохроматический свет,
но с различными энергиями активации.
Для «ступенчатого» отжига характерно,
что при очередном подъеме температуры
через некоторое время наблюдается рез-
кое снижение скорости отжига центров
окраски [И]. Кривые, полученные при
линейном изменении температуры и в
Рис. 1.16.4. Зависимость AZ\/AZ\(0) для
стекол марки «крои» К-8 (1,2) и «флинт»
Ф-1 (3, 4) от времени отжига
при ступенчатом отжиге (1, 3) и отжиге при
линейном изменении температуры (2, 4)
Рис. 1.16.5. Зависимость d(&DK}!dT
оптических стекол марок К-8 (1)
и Ф-1 (2) от температуры отжига
режиме ступенчатого отжига, достаточно
хорошо совпадают друг с другом.
Процесс отжига радиационного центра
окраски состоит в том, что захваченный
электрон или дырка высвобождается из соответствующего энергетического уровня,
созданного дефектом в запрещенной зоне, преодолевая энергетический барьер Ej в
результате тепловых колебаний. Этот процесс не является единым для всех центров
окраски данного вида, а распределен среди N уровней дефектов.
На основе рис. 1.16.5 при теоретическом рассмотрении процессов, связанных с
термоотжигом, это распределение центров окраски по "энергиям активации предста-
вим как столообразное, т. е. равномерное в диапазоне энергий Ej от Е\ до £2 и равное
нулю вне этого интервала.
В работах [3, 12] показано, что эмпирическая зависимость приращения ко-
эффициента поглощения Да^ от мощности дозы Р и времени облучения t имеет
вид:
442
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Агу Pt 4- 1
Дах (л /) = —-а- {1П -2—- - Ej [-{Pt +t112)] + Ej [-(Pt + ///,)]-
ln(r2/r,) РГ.+1 J J (1.16.2)
//J+
где AaH, /1, t2 - параметры, зависящие от марки стекла; Ej - интегральная показатель-
ная функция.
Значения Аан, Л, t2 для различных марок стекол получались из эксперименталь-
ных данных. Величина Аан соответствует выходу дозовой зависимости Аа на насы-
щение, а значения t\ и /2 определялись из экспериментов по изотермическому и изо-
хронному отжигу. Для стекол типа «флинт» Ф-1, в которых наблюдается достаточно
быстрая (около одного года) релаксация наведенной окраски, значение t2 ~ 108 с, для
стекол типа «крон» К-8, релаксация наведенной окраски у которых происходит го-
раздо медленнее, -12 ~ 1О10 с.
Полученную формулу (1.16.2) можно использовать для прогнозирования пове-
дения оптической аппаратуры, находящейся в условиях воздействия космического
ионизирующего излучения, которое характеризуется сильной неравномерностью
распределения по глубине поглощенной мощности дозы Р(х) [12].
Задача заключается в определении приращения оптической плотности стекла
А£\ от времени воздействия ионизирующей радиации с неравномерным распреде-
лением по глубине мощности поглощенной дозы по формуле:
4
AL>x=jAaJP(x),/]47x, (1.16.3)
4
где Аах [^(х), /] - зависимость приращения коэффициента поглощения стекла от
мощности дозы Р и от времени облучения /, определяемая в (1.16.2); /о и 4 - началь-
ная и конечная глубина интегрирования; 1к~1ъ~ толщина стекла; /0 - толщина защит-
ного слоя перед стеклом.
Неравномерность распределения мощности поглощенной дозы космического ио-
низирующего излучения по глубине мате-
риала, расположенного на внешней по-
верхности КА, определяется распределе-
нием протонов и электронов радиацион-
ных поясов Земли по энергиям таким
образом, что энергетический спектр этих
частиц имеет падающий характер.
По формуле (1.16.2) были проведены
модельные расчеты величины А£\ для раз-
личных времен экспозиции /. Распределе-
ние Р(х) для круговой полярной орбиты в
зоне внутреннего радиационного пояса
(Н~ 3 000 км) взято из [1]. На рис. 1.16.6
приведены зависимости приращения опти-
ческой плотности от времени полета по
указанной орбите для стекол типа «крон»
К-8 и «флинт» Ф-1 толщиной 1 г-см"2.
Рис. 1.16.6. Расчетные зависимости
радиационного приращения оптической
плотности стекол марки «крон» К-8 (1)
и «флинт» Ф-1 (2) от времени полета
ГЛАВА 1.16 ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
443
1.16.3. Оптическое обесцвечивание облученных стекол
Созданные ионизирующим излучением центры окраски в стеклах могут разру-
шаться не только при термическом воздействии, но и при поглощении квантов света.
Этот процесс называется оптическим обесцвечиванием облученных прозрачных ма-
териалов [13].
Получены экспериментальные данные по оптическому обесцвечиванию цент-
ров окраски некоторых марок оптических стекол после облучения их на электрон-
ном ускорителе с энергией 2 МэВ. Стекла, облученные электронами флюенсом
7-1014 см-2, затем подвергались воздействию излучения ксеноновой лампы типа
ДКсШ-1000. Интенсивность электромагнитного излучения Солнца в диапазоне длин
волн 0,2-0,75 мкм имитировалась в отношении 10:1. Время облучения стекол лам-
пой ДКсШ-1 000 составляло 24 часа, что соответствует 10 суткам воздействия электро-
магнитного излучения заатмосферного Солнца в указанном диапазоне длин волн.
Процесс оптического обесцвечивания приводит к практически полному восста-
новлению исходного интегрального коэффициента пропускания Т (в пределах 5%) для
всех исследованных марок оптических стекол («флинт» и «крон»). Таким образом,
можно сделать вывод о сильном разрушении радиационных центров окраски под дей-
ствием электромагнитного излучения заатмосферного Солнца в течение 10 суток.
Получена зависимость изменения оптической плотности стекла за счет оптиче-
ского обесцвечивания от потока энергии электромагнитного излучения Солнца. Из-
мерение изменения пропускания света испытуемого образца стекла осуществлялось
на той же длине волны света, на которой производилось оптическое обесцвечивание.
На рис. 1.16.7 показано изменение оптической плотности Д£\ образцов стекла марки
К-8 в зависимости от потока световой энергии F при различных длинах волн X.
Полученный результат достаточно уверенно свидетельствует о пороговом харак-
тере этого процесса и определяет приблизительное значения пороговой длины волны
для стекла марки К-8 как 450 нм.
При облучении некоторых диэлектриков, в частности оптических стекол, элект-
ронами с энергией 1-4 МэВ и протонами с
энергией 10-100 МэВ, наблюдается эффект
внедренного нескомпенсированного элект-
рического заряда. Создаваемое этим заря-
дом электрическое поле в объеме диэлект-
рика может расти до тех пор, пока не будет
достигнута напряженность электрического
поля, соответствующая электрической проч-
ности материала.
Делокализация внедренного в объем
стекла заряда происходит за счет собствен-
ной и радиационной проводимости диэлек-
трика. При электрическом пробое внедрен-
ного в стекло заряда наблюдается растрес-
кивание стекол [14, 15].
Рис. 1.16.7. Зависимость для образцов
стекла К-8 от F при X, [мкм]: 1 - 0,35;
2 - 0,40; 3 - 0,50; 4 - 0,65
444
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
1.16.4. Свечение стекол под действием ионизирующего излучения
Изучение свечения, возникающего в стеклах различных типов под действием ио-
низирующего излучения, представляет собой большой интерес. Так, при использова-
нии стеклянных линз в разнообразной оптической аппаратуре, установленной на
космических объектах, свечение внешней линзы, вызванное космическим ионизи-
рующим излучением, может служить помехой основному световому сигналу. Поэто-
му большой значение приобретает изучение люминесцентных свойств стекол, уста-
новление основных закономерностей выхода свечения в зависимости от состава об-
разцов, измерение спектров, температурной зависимости свечения и т. д. [3, 16].
Параметрами свечения оптических материалов являются яркость и спектральный
состав свечения. Были получены основные результаты исследований зависимости
этих параметров от условий облучения (вида, энергии, интенсивности, длитель-
ности), температурных условий, состава оптических стекол.
Спектры люминесценции под действием заряженных частиц являются непрерыв-
ными и представляют распределение в области 380-520 нм с максимумами при дли-
нах волн 410-460 нм.
При измерениях электронной и протонной люминесценции (при энергии элек-
тронов и протонов в несколько сотен килоэлектронвольт, что соответствует сред-
ним энергиям частиц в радиационных поясах Земли, при плотности потока
106— 1010 см"2-с-1) было получено, что для каждой марки стекла яркость свечения ли-
нейно зависит от интенсивности падающего ионизирующего излучения.
Ве,р “* Ре,р7е,р ^е,р “ Ре,р *1г,р>
где Ве,р - яркость свечения образца при возбуждении электронами или протона-
ми, [кд-м"2]; Je,P - интенсивность излучения, [МэВ-см"2-с-1], равная произведению
плотности потока падающих частиц Др, [см"2-с-1] на их энергию Е^р, [МэВ]; рер -
удельная яркость свечения, [мккд-с-МэВ"1]. При этом интенсивность электронного
излучения JQ изменялась в пределах от 1,5-104 до 2-107 МэВ-см"2^"1, а интенсивность
протонного излучения Jp - от 107 до 1О10 МэВ-см"2-с-1.
Выход радиолюминесценции для стекол всех марок при протонном облучении
ниже выхода при электронном облучении. Это может быть связано с насыщением и
тушением люминесценции вследствие большой плотности возбуждения при облуче-
нии протонами малых энергий (сотни кэВ), поскольку ионизационные потери прото-
нов на единице пути намного больше потерь электронов той же энергии.
Эксперимент показал, что основными компонентами, определяющими люминес-
центную способность стекол, являются окиси кремния SiO2, бария ВаО и свинца
РЬО. Остальные компоненты могут сильно изменяться в количественном соотноше-
нии или отсутствовать совсем, но на выходе радиолюминесценции это почти не ска-
зывается.
Все стекла можно разделить на две группы, сходные по оптическим свойствам:
первая группа - «кроны», т. е. стекла типов К, ЛК, БК и ТК; вторая группа - «флин-
ты», т. е. стекла типов Ф, ЛФ, КФ, БФ и ТФ.
Если образцы стекла подвергались длительному облучению, то у стекол первой
группы происходит увеличение люминесцентной способности по мере роста количе-
ГЛАВА 1.16 ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
445
ства поглощенного излучения вне зависи-
мости от принадлежности стекла к той или
иной серии, что показано на рис. 1.16.8.
На рис. 1.16.8 кривая 1 изображает зави-
симость регистрируемого светового пото-
ка радиолюминесценции от поглощенного
потока энергии электронного излучения JQ
для одного из стекол первой группы, со-
держащего СеО2.
Относительное возрастание выхода лю-
минесценции для стекол первой группы
лежит в пределах от 1,2 до 4,7. После пре-
кращения облучения повышенная люми-
несцентная способность сохраняется у сте-
кол первой группы в течение нескольких
месяцев. Эффект разгорания люминесцен-
ции отсутствует у стекол второй группы,
что связано с наличием в составе стекол
Рис. 1.16.8. Зависимость светового
потока (1), коэффициента пропускания
света собственной люминесценции (2)
и люминесцентной способности (3)
от поглощенного потока энергии
электронного излучения Jc
второй группы окиси свинца. Эффект разгорания люминесценции у стекол первой
группы исчезает, если облучение ведется при нагреве стекол до температуры ~420 К.
При этом спектр люминесценции для каждого стекла является устойчивой характе-
ристикой, которая не меняется в процессе длительного облучения у стекол как пер-
вой, так и второй групп.
Зависимость яркости свечения от температуры в интервале от 320 до 120 К может
быть приближенно аппроксимирована формулой Вт/В = а-Ы\ где Вт- яркость све-
чения стекла при температуре Г; В - яркость свечения стекла при комнатной темпе-
ратуре; а и b - параметры, характерные для каждой марки стекла и несколько разли-
чающиеся в зависимости от вида облучения.
При высоких температурах яркость свечения падает, что является следствием
температурного тушения люминесценции. Однако при этом появляется опасность
возникновения термолюминесценции стекла, если оно было предварительно облуче-
но ионизирующей радиацией.
У стекол, имеющих в своем составе хотя бы несколько процентов окиси свинца
(стекла второй группы), термолюминесценция не возникает, какими бы большими ни
были поглощенные дозы электронного и протонного излучения. У стекол, не содер-
жащих окиси свинца (стекла первой группы), наблюдается интенсивная термолюми-
несценция, зависимость которой от температуры сильно отличается для стекол раз-
личных марок, а яркость при скорости нагрева ~0,2 град.-с"1 может достигать не-
скольких десятых мккд-см"2.
Главную роль в люминесцентных явлениях играет не только состав стекла, но и
характер структурных связей в основной стеклообразующей кремний-кислородной
сетке, зависящей от незначительных вариаций технологического процесса варки.
Модифицирующие компоненты являются, по-видимому, лишь тушителями радиолю-
минесценции и влияют только на световой выход. Прямая зависимость люминесцент-
ной способности стекол от процентного содержания SiO2 подтверждает этот вывод.
446 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Приведенные результаты исследований радиолюминесцентных свойств стекол
позволяют провести оценку уровня свечения стекол под действием электронной и
протонной компонент радиационного пояса Земли. Расчет показывает, что средняя
яркость свечения стекла «крон» в естественных поясах не превышает 0,06 мккд-см"2.
При длительных полетах в условиях повышенной радиации за счет разгорания лю-
минесценции эта величина может достигнуть 0,2 мккд-см"2. Понижение температуры
корпуса корабля может увеличить это значения до 0,4 мккд-см"2, а интенсивное вы-
сыпание электронов в области полярных сияний - до нескольких мккд-см"2.
Импульсные световые помехи в оптико-электронных приборах могут возникать за
счет радиолюминесценции оптических элементов при попадании в них тяжелых ядер
космических лучей типа ионов железа. Такие световые вспышки связаны с высокой
линейной потерей энергии (ЛПЭ) при торможении тяжелых ядер.
1.16.5. Радиационное окрашивание и люминесценция волоконных световодов
Проблема радиационного окрашивания имеет также важное значение для воло-
конной оптики, использующейся в космическом оборудовании, так как длина воло-
конных коммуникаций на КА может достигать десятков и сотен метров, и эффект
радиационного ухудшения прозрачности световода будет резко влиять на качество
передаваемой информации [17-26].
Волоконные световоды (ВС) находят применение в бортовой аппаратуре КА в
связи с рядом преимуществ по сравнению со стандартными линиями связи: высокая
помехозащищенность к электромагнитным помехам, малый вес и габариты, широкая
полоса пропускания и высокая скорость передачи информации, низкое энергопо-
требление.
Радиационные эффекты, возникающие в волоконной оптике, практически те же,
что и в оптических стеклах, а именно: рост концентрации радиационных центров
окраски, приводящих к дополнительному затуханию передаваемого оптического сиг-
нала, радиолюминесценции, изменению коэффициента преломления и радиационной
электризации. Наиболее важное практическое значение имеет образование радиаци-
онно-наведенного поглощения (РНП) в световоде.
В работе [17] показано, что различные типы ионизирующих излучений - электро-
ны (£ ~ 1 МэВ, мощность дозы 0,25-23 Гр-с"1), протоны (£ ~ 30 МэВ, мощность дозы
0,5-4 Гр-с"1) и гамма-излучение (источник 60Со, мощность дозы 10"3-10-1 Гр-с"1), -
оказывают одинаковое действие на ВС (сердцевина - SiO2, отражающая оболочка -
полимер или боросиликатное стекло) в диапазоне доз 10-105 Гр.
Причина возникновения РНП при дозах Д< 106 Гр, по-видимому, состоит в воз-
никновении радиационных центров окраски, связанном с захватом носителей заряда
на дефекты, существовавшие в стекле до воздействия ионизирующего излучения.
На рис. 1.16.9 приведена дозовая зависимость изменения РНП для световодов с
оболочкой из силиконовой резины и сердцевиной SiO2 спустя 1 час после облучения
различными дозами гамма-излучения.
Механизм РНП в ВС при дозах излучения до 104 Гр практически не зависит от
типа ионизирующего излучения. С понижением температуры эффективность генера-
ГЛАВА 1.16 ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
447
ции РНП резко возрастает главным образом
за счет нестабильных короткоживущих ра-
диационных центров окраски.
На эффективность генерации радиаци-
онных центров окраски в кварцевых свето-
водах большое влияние оказывают приме-
си. Радиационную стойкость кварцевого
световода можно повысить путем введения
в его состав нескольких процентов окиси
церия. Наибольшей радиационной стой-
костью обладают кварцевые световоды с
сердцевиной из чистого SiO2 с большим
содержанием ОН.
Основные требования для повышения
радиационной стойкости кварцевых ВС
сводятся к следующему:
• повышение чистоты и оптимизация
состава примесей в кварцевом ВС;
Наведенное поглощение, дБкм 1
Рис. 1.16.9. Спектры РНП в световоде
спустя 1 час после облучения различными
дозами у-радиации: 1 - 102 Гр; 2 - 103 Гр;
3-104 Гр;4-2-105 Гр; 5 - 106 Гр
• использование оптических сигналов в диапазоне длин волн 0,8-0,9 мкм;
• использование эффектов термоотжига и фотоотжига для разрушения радиаци-
онных центров окраски и снижения НП.
Отметим, что стеклообразный кремнезем (v-SiO2) высокой чистоты, который яв-
ляется основным компонентом световедущей сердцевины современных ВС, занимает
также особое положение в физике неупорядоченных твердых тел, сочетая характер-
ные особенности ковалентных соединений и типичных ионных соединений. Под-
черкнем, что только с разработкой технологии ВС с малыми потерями удалось полу-
чить кварцевые стекла высокой чистоты и в значительной степени освободится от
эффектов, связанных с примесями.
Зависимости НП на длине волны X = 0,82 мкм для ВС с сердцевиной из чистого
SiO2 (с большим содержанием ОН-групп) в
лены на рис. 1.16.10.
Возникновение люминесцентного све-
чения исследовалось в [22] при воздействии
рентгеновского излучения на ВС с сердце-
виной из чистого SiO2 с большим содержа-
нием гидроксильных групп. Обнаружены
две полосы люминесценции с максимумами
на 0,45 и 0,65 мкм, интенсивность которых
была пропорциональна мощности дозы ра-
диации (Р = 6-40 Гр-с"1). После окончания
импульсного облучения на ускорителе
электронов люминесцентное свечение ис-
чезает за время ~20 мкс. В [22] отмечается,
что легирование сердцевины Ge, В или Р
может подавлять люминесценцию.
сердцевине от дозы излучения представ-
Наведенное поглощение, дБкм
Рис. 1.16.10. Дозовые зависимости НП ВС
с отражающей оболочкой из силиконовой
резины (1) и боросиликатного стекла (2, 3)
448
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
НП существенно изменяется в некоторых ВС при воздействии света, проходя-
щего через них как в процессе действия ионизирующего излучения, так и по его
окончании, причем этот эффект становится заметен уже при интенсивности света
~10“4 Вт-см"2.
Рассмотрим подробнее эффект оптического обесцвечивания нестабильных полос
НП (подсветка в диапазоне 0,44-1,06 мкм не просветляет стабильные полосы НП). В
работе [25] в каждом типе кварцевых ВС обнаружено по несколько фотообесцве-
чивающих полос НП, обладающих различными временами распада (0,5 мин до
10 суток). Наиболее стабильная полоса НП - 0,8 мкм - полностью восстанавливается
после выключения подсветки, в то время как другие полосы НП восстанавливаются
лишь частично. Это различие связано лишь с тем, что в одном случае время жизни
носителей заряда на соответствующих центрах больше, а в других - меньше или по-
рядка характерных времен процессов просветления и восстановления НП.
Во всех ВС наведенные потери можно разделить на две части: стабильную и не-
стабильную, относительный вклад которых в общую величину НП может существен-
но меняться в зависимости от состава сердцевины ВС, содержания в ней микропри-
месей (например, гидроксильных групп), технологии вытягивания ВС, а также для
разных длин волн света, проходящего по световоду. Нестабильную часть НП мож-
но сравнительно легко подавлять с помощью подсветки видимого и ближнего
ИК-диапазонов, а также нагревая ВС до сравнительно невысоких температур
(~400 К). Стабильные полосы НП не обесцвечиваются подсветкой видимого и ближ-
него ИК-диапазонов, и их отжиг возможен лишь при достаточно высоких температу-
рах (более 400 К). Интенсивность нестабильных полос НП значительно чувствитель-
ней к процессу вытягивания волокна (типу нагревателя), чем интенсивность стабиль-
ных полос НП.
Минимум стабильных НП достигается при X = 1,4-1,5 мкм для ВС с сердцевиной
либо SiO2, либо SiO2:GeO2; содержание гидроксильных групп в первом случае суще-
ственно влияет на радиационно-оптическую устойчивость ВС, а во втором случае
такого влияния не замечено.
ВС используются также для дозиметрии низких уровней ионизирующих излуче-
ний. Волоконно-оптические кабели (/ = 25 м) с примесями редкоземельных элемен-
тов находят применение в дозиметрии ионизирующих излучений при мощности дозы
излучения Р ~ 10"6 Гр-с"1 при X = 1 300 нм считывающего лазера [27].
ЛИТЕРАТУРА
1. Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия. Под ред. Новикова Л.С., Панасюка М.И.
T. 16: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов.
М.: Энцитех, 2000, 295 с.
2. Бреховских С.М., Викторова Ю.Н., Ланда Л.М. Радиационные эффекты в стеклах. М.: Энергоиздат,
1982, 182 с.
3. Акишин А.И., Бессонова T.C., Васина Л.А. и др. Влияние корпускулярных излучений на оптические
материалы. В кн.: Модель космоса. Под ред. Вернова С.Н. М.: Изд-во МГУ, 1983, с. 553-578.
4. Арбузов В.И., Сучков Ф.В. Стабильность радиационной окраски оптических стекол. Оптический жур-
нал, 2001, т. 68, № 6, с. 85-96.
5. Кудрявцев М.И., Лопатина Г.Б., Погодин И.Е. Электромагнитное излучение Солнца. В кн.: Модель
космоса. Под ред. Вернова С.Н. М.: Изд-во МГУ, 1983, т. 1, с. 101-147.
ГЛАВА 1.16 ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 449
6. Смолкин М.Н. и др. Интегральные и визуальные характеристики ксеноновых ламп ДКсШ-1000 и
ДКсР-6000. Опт.-мех. промышл., 1968, № 6, с. 29.
7. Volchek А.О., Lisitsyn V.M., Gusaruv A.L, Yakovlev V.Yu., Arbuzov V.I. Transient optical transmission
changes induced by pulsed electron radiation in commercial crown silicate glasses. Nucl. Instrum, and Meth-
ods in Phys. Research, 2003, v. В 211, pp. 100-106.
8. Гурьев А.П., Забелина И.А. Изотермическая релаксация наведенного поглощения стекол после воздей-
ствия ионизирующего излучения. Оптический журнал, 2001, т. 68, № 6, с. 79-84.
9. Арбузов В.И., Волчек А.О., Гусаров А.И., Лисицын В.М., Яковлев В.Ю. Радиационно-индуцированное
нестационарное поглощение в многокомпонентных силикатных стеклах. Оптический журнал, 2004,
т. 71, №2, с. 58-62.
10. Акишин А.И., Цепляев Л.И. Термический отжиг центров окраски в облученных оптических стеклах
стеклах. ФХОМ, 2003, № 4, с. 95-96.
11. Treadaway M.J., Passenheim В.С., Kitterer B.D., Schal Р. Radiation coloration and bleaching of glass. IEEE
Trans. Nucl. Sci., 1976, NS-23, No 6, pp. 1820-1825.
12. Акишин А.И., Цепляев Л.И. Методика инженерной оценки влияния космического корпускулярного
излучения на поглощение оптических стекол. ФХОМ, 1999, № 4, с. 21-24.
13. Акишин А.И., Цепляев Л.И. Оптическое обесцвечивание радиационно-окрашенных стекол при имита-
ции космических условий. ФХОМ, 2004, № 6, с. 30-33.
14. Акишин А.И. Радиационные аномалии в космическом оборудовании, вызванные электроразрядными
явлениями в облученных диэлектриках. В кн.: Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопе-
дия. Под ред. Новикова Л.С., Папасюка М.И. Т. 17: Воздействие космической среды на материалы и
оборудование космических аппаратов. М.: Энцитех, 2000, с. 5-60.
15. Акишин А.И., Цепляев Л.И. Термоотжиг внедренного заряда в оптических стеклах. ФХОМ, 2006, № 6,
с. 90-91.
16. Акишин А.И., Бессопова Т.С., Васильев С.С. Электронная и протонная радиолюминесценция оптиче-
ских стекол. ЖПС, 1971, т. XV, № 3, с. 471-475.
17. Дианов Е.М., Корниенко Л.С., Никитин Е.П., Рыбалтовский А.О., Сулимов В.Б., Чернов П.В. Радиаци-
онно-оптические свойства волоконных световодов на основе кварцевого стекла (обзор). Квантовая
электроника, 1983, т. 10, № 3, с. 473-496.
18. Borgermans Р., Brichard В. Kinetic models and spectral dependencies of the radiation-induced attenuation in
pure silica fibers. IEEE Nucl. Sci., 2002, v. 49, No 3, pp. 1439-1445.
19. Henschel H., Kohn O., Weinand U. A new radiation hard optical fiber for high-dose values. IEEE Tran. Nucl.
Sci., 2002, v. 49, No 3, pp. 1432-1438.
20. Gusarov A., Doyle D., Kinet D., Volcnek A. Testing and qualification of optical glasses for use in a space ra-
diation environment; the advantages and pitfalls of using a parametric approach. Proc, of the 9th Intern. Symp.
on Materials in Space Environment, Noordwijk, the Netherlands, 16-20 June 2003, (ESA SP-540, Sept. 2003).
21. Colby E., LumG., Plettner T., Spencer I. Gamma radiation studies on optical materials. IEEE Trans. Nucl.
Sci., 2002, v. 49, No 6, pp. 2857-2867.
22. Henschel H., Kohn O., Lennartz W., Metzger S., Schmidt H. Comparison between fast neutron and gamma
irradiation of optical fibers. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1998, v. 45, No 3, pp. 1543-1551.
23. Tomashuk A., Dianov E., Golant K., Rybaltovskii A. y-radiation-induced absorption in pure-silica-core fibers.
IEEE Trans. Nucl. Sci., 1998, v. 45, No 3, pp. 1576-1579.
24. Van Uffelen M., YuckerPh., Fenaux Ph. Radiation resistance of fiberoptic components and predicative
models for optical fiber systems in nuclear environments. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1998, v. 45, No 3,
pp. 1558-1565.
25. Friebele E.J., Long K.J., Askins C.G., Ginderich M.E., Marrone M.J., Griscom D.L. Overview of radiation
effects in fiber optics. SPIE, 1985, v. 541 Radiation Effects in Optical Materials, pp. 70-88.
26. Сергеев П.Б., Ермоленко T.A., Евлампиев И.К., Зворыкин В.Д., Попов С.А., Пронина М.С., Сергеев А.П.,
Туроверов П.К., Черемисин И.И. Наведенное электронным пучком поглощение в кварцевых стеклах.
Оптический журнал, 2004, в. 71, № 6, с. 93-97.
27. Henschel Н., Kohn О., Schmidt Н., Kirchhof J., Unger S. Radiation-induced loss of Rare Earth doped fibers.
IEEE Trans. Nucl. Sci., 1998, v. 45, No 3, pp. 1552-1557.
ГЛАВА 1.17
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ И ВНЕДРЕННОГО ЗАРЯДА
В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Новиков Л.С.1, Милеев В.Н.1, Маклецов А.А.1, Синолиц В.В.1;
(разд. 1.17.6; 1.17.7) Дмитренко В.Я?, Доценко О.В.2, Драновский В.И.2, Тарасов В.Б.2
1 НИИ ядерной физики МГУ
2 Государственное конструкторское бюро «Южное» (Украина)
Список сокращений
ИИКП ионизирующее излучение космического пространства
КА космический аппарат
МКС Международная космическая станция
РПЗ радиационные пояса Земли
ВВЕДЕНИЕ
Воздействие космической радиации на материалы и элементы оборудования кос-
мических аппаратов (КА) является одной из главных причин ухудшения эксплуата-
ционных характеристик материалов и оборудования и, как следствие, - снижения
надежности и сокращения сроков службы бортовых систем КА [1]. Наиболее важны-
ми с точки зрения воздействия на КА являются следующие составляющие космиче-
ской радиации: электроны радиационных поясов Земли (РПЗ) с характерными энер-
гиями —0,1 — 10 МэВ, протоны РПЗ с энергиями -0,5-50 МэВ и генерируемые во вре-
мя интенсивных солнечных вспышек протоны солнечных космических лучей с
энергиями -1-1000 МэВ. Универсальной мерой радиационных воздействий является
ГЛАВА 1.17 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ...
451
величина поглощенной дозы, в некоторых случаях важна мощность поглощенной
дозы, существенное значение может играть также вид первичного космического из-
лучения, воздействующего на КА.
При создании современных и перспективных КА, проектируемых на сроки актив-
ного существования —10-12 лет и имеющих обычно сложную компоновку и высокую
степень насыщенности разнообразной служебной и научной аппаратурой, часто тре-
буется знать с большой точностью пространственное распределение поглощенной
дозы в элементах конструкции КА с учетом их взаимного экранирования. Эта задача
особенно актуальна при анализе условий функционирования и прогнозировании
радиационной стойкости элементов микроэлектроники, используемых в составе
бортовой аппаратуры КА.
Еще одним физическим механизмом воздействия космической радиации являет-
ся накопление внедренного объемного заряда в диэлектрических материалах кон-
струкции КА (см. гл. 1.10). Объемный заряд, образующийся в толще диэлектриков,
создает сильные электрические поля, следствием чего является возникновение
электрических разрядов, создающих интенсивные электромагнитные помехи и па-
разитные токи, а в некоторых случаях приводящих к разрушению диэлектрических
материалов.
Для решения задач, связанных с расчетом трехмерного пространственного рас-
пределения поглощенной дозы и внедренного электрического заряда в элементах
конструкции КА, используются различные математические модели, которые можно
разделить на две группы. К первой группе относятся модели, в которых расчет вели-
чины поглощенной дозы или внедренного электрического заряда в любой точке
внутри КА основывается на вычислении эквивалентной толщины защитного экрана
для этой точки. С этой целью из выбранной точки проводятся лучи к элементарным
площадкам, на которые при проведении расчетов разбивается поверхность модели
КА. Далее вычисляются толщины защитных экранов по каждому лучу с учетом кон-
фигурации пересекаемых им элементов конструкции КА и физических свойств мате-
риалов этих элементов. Такие модели реализуются на современных персональных
компьютерах средней производительности и могут использоваться в инженерных
расчетах.
Вторая группа включает модели, базирующиеся на методах численного моде-
лирования. Обычно в таких моделях используется различные варианты метода
Монте-Карло. Модели этой группы обладают более широкими вычислительными
возможностями, однако они достаточно сложны и применяются, как правило, в
специализированных научных центрах.
В данной главе рассмотрены основные особенности моделей обоих типов. В каче-
стве примеров моделей первой группы дано описание созданной в НИИЯФ МГУ мо-
дели RDOSE [2] и разработанной в ГКБ «Южное» модели LOCAL, использующих
лучевой метод при расчете эквивалентной толщины защитного экрана для выбранно-
го элемента конструкции и предназначенных для инженерных расчетов. Для иллюст-
рации особенностей построения и использования моделей второй группы приведены
данные о программном комплексе GEANT [3], созданном в ЦЕРНе первоначально
для решения задач физики высоких энергий.
452 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.17.1. Общая формулировка'задачи моделирования распределения
поглощенной дозы
При решении данной задачи используются результаты исследования переноса из-
лучения (электронов, протонов, у-квантов) с учетом взаимодействия их со средой,
рождения и поглощения вторичных частиц. В результате решения задачи должно
быть получено распределение накопленной дозы ионизирующего излучения по объ-
ему моделируемого объекта.
Физико-математическая модель, на основе которой производится расчет погло-
щенной дозы космического излучения в различных элементах конструкции КА,
включает в себя:
• характеристики воздействующего излучения (тип частиц, энергетические
спектры, угловые распределения);
• транспортные уравнения, описывающие перенос частиц в веществе, и методы
их решения;
• алгоритмы дискретизации моделируемой среды при проведении компьютерных
расчетов.
Для характеристики поглощения энергии частиц в среде используется тормозная
способность
Sj(E) =«oZ(e«“eoH'/>’
п
гдеа^- эффективное сечение процесса возбуждения частицей сорта J энергетиче-
ского состояния в среде с энергией £„; £0 - энергия основного состояния; nQ - число
атомов в единице объема вещества.
Скорость поглощения энергии в единице массы, т. е. скорость накопления дозы
D(x) в точке х определяется как
ад=| idsldE fj <х- Q) sj
где р - плотность вещества; j^(x,E,Q) (здесь j = е, р, у) - функция распределения
частиц сорта j. Интегрирование здесь производится по энергии Е и телесному уг-
лу Q.
Поскольку функции распределения yj(x,E,Q) являются линейными функциями
источников частиц, выражение для расчета скорости накопления дозы излучения в
точке х можно записать в виде:
ад = £ р/ рЯ Rj (х, Г, Е, Я) (Г, Е, Я),
J г
где ^(x,E,Q) - функция распределения падающих на поверхность КА в точке х
частиц сорта у. Интегрирование здесь производится по Е, Q и внешней поверхности
аппарата Г.
Функция Rj(х, Г, Е, Q), имеющая смысл функции отклика в данной задаче, опре-
деляется значениями тормозной способности Sj(E) в различных точках моделируемо-
го объекта, а также геометрией облучаемой границы объекта.
ГЛАВА 1.17 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ...453
Последнее уравнение устанавливает явную связь между расположенными на гра-
нице источниками ионизирующего излучения (х е Г) и накоплением дозы в данной
точке объекта.
В общем случае расчет функций распределения jy(x,E,Q) или функций отклика
Rj (х, Г, Е, Q) при достаточно сложной конфигурации объекта является весьма трудо-
емкой задачей. Обсуждаемые ниже приближения позволяют упростить вычисления,
что дает возможность моделировать поглощение ионизирующего излучения в при-
ложении к конкретным задачам функционирования реальных КА.
1.17.2. Существующие методы решения задачи
Наиболее эффективным и универсальным методом теоретического исследова-
ния переноса частиц в веществе является метод статистических испытаний (метод
Монте-Карло). В рамках этого метода проводится моделирование движения в среде
частиц с заданными энергиями с усреднением результатов по большому количеству
частиц. Среда, в которой движется налетающая частица, характеризуется микро-
скопическими сечениями процессов ее взаимодействия с атомами, а также геомет-
рическими размерами моделируемого объема и условиями на границах. Аналогич-
ным образом описывается взаимодействие со средой вторичных частиц и квантов.
Ниже приводятся краткие описания некоторых наиболее распространенных про-
грамм моделирования переноса излучений в веществе.
Пакет программ TIGER [4], разработанный в Sandia National Laboratory, США,
моделирует перенос электронов и фотонов с энергиями от 1,0 кэВ до 1,0 ГэВ. Уч-
тены процессы флуоресценции, оже-процессы на атомных Е-оболочках, а также
процессы рождения электрон-позитронных пар при высоких энергиях частиц и об-
разования электрон-фотонных каскадов. Значительным преимуществом пакета
TIGER является возможность проведения моделирования для широкого класса ма-
териалов, при этом, благодаря наличию обширной базы данных по свойствам мате-
риалов, пользователю требуется задать простейшие параметры: вид материала,
плотность и фазовое состояние.
В последнее время для моделирования взаимодействия ионизирующих излучений
со сложными объектами все чаще применяется разработанный в Европейском центре
ядерных исследований (ЦЕРН) для решения различных задач физики высоких энер-
гий пакет компьютерных программ GEANT [3]. Этот программный комплекс также
основан на методе Монте-Карло и учитывает электромагнитное, сильное и слабое
взаимодействия элементарных частиц в широком интервале энергии - приблизитель-
но от 10 кэВ до 1 ТэВ. Такая универсальность программного комплекса GEANT тре-
бует значительных ресурсов ЭВМ, что ограничивает возможности его применения в
конкретных инженерных расчетах.
Разработанный в NASA пакет программ SHIELDOSE [5] позволяет на основании
базы данных, созданной в результате предварительных расчетов методом Монте-
Карло, моделировать накопление дозы в материалах при облучении их электронами и
протонами с произвольными энергетическими спектрами. Расчет прохождения элект-
ронов, протонов и тормозного излучения через защиту проводится на основе про-
454
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
граммы ETRAN [6] в рамках приближения непрерывного замедления с учетом только
кулоновского взаимодействия.
Данный подход, являясь менее общим, чем метод прямого моделирования пере-
носа частиц в веществе, позволяет, тем не менее, рассчитать распределение погло-
щенной дозы по глубине мишени с учетом основных физических процессов, дающих
вклад в поглощение веществом энергии налетающих частиц. В случае электронов к
таким процессам относятся: замедление электронов с учетом флуктуаций ионизаци-
онных потерь (стрэгглинга), изменение направления движения частиц в результате
многократного упругого рассеяния на атомах среды, распространение вторичных
фотонов тормозного излучения, движение вторичных электронов, образующихся в
ходе электрон-электронных соударений.
В этой программе, в отличие от пакета TIGER, в качестве облучаемого материала
используется только алюминий, а также имеется сравнительно небольшой набор
возможных геометрий облучаемой среды. Тем не менее данные, полученные при мо-
делировании по программе SHIELDOSE, являются надежными с физической точки
зрения и использованы в качестве входных данных в описываемом ниже пакете про-
грамм НИИЯФ МГУ RDOSE.
1.17.3. Методика расчета накопления поглощенной дозы в элементах
конструкции КА
Важной особенностью КА как расчетных объектов является наличие тонкой
внешней оболочки, на которую воздействует космическое ионизирующее излучение,
и деталей внутренней структуры, накопление дозы в которых и представляет обычно
наибольший интерес. Конструкция КА характеризуется существенной простран-
ственной неоднородностью тормозной способности Sj(E) при переходе от одних эле-
ментов к другим: КА как моделируемая среда состоит из областей с высоким значе-
нием Sj(E), разделенных объемами с Sj(E)~0 (воздух, вакуум). Сильно поглоща-
ющие элементы конструкции КА являются фактически защитными экранами,
ослабляющими воздействие внешнего ионизирующего излучения на внутренние уз-
лы объекта.
Поскольку толщина элементов конструкции на пути частицы, как правило, мала
по сравнению с габаритными размерами объекта, то потеря ее энергии происходит в
основном на сравнительно коротких участках с большими значениями Sj (£), и можно
использовать известное в кинетической теории приближение «прямо вперед» [7]. В
рамках этого приближения пренебрегают изменением направления движения нале-
тающей частицы при прохождении слоя материала с заданной тормозной способ-
ностью Sj(E).
Описанное физическое приближение позволяет использовать следующий алго-
ритм для проведения компьютерного моделирования. Доза излучения £)(х), накоп-
ленная в точке х от всех поверхностных источников, представляет собой сумму вкла-
дов от различных участков облучаемой поверхности. Такие участки задаются с по-
мощью разбиения поверхности объекта на конечное число элементов
8Га (а = 1, ...,А)> т- е- дискретизации поверхности КА. Переход от интегрирования
ГЛАВА 1.17 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ...455
по направлениям Q к суммированию по площадям элементов поверхности 8Га про-
водится на основе соотношения для телесного угла:
8Г(пх х. -и')
I ,,2 <
|х-х|
где х - точка, в которой производится расчет накопленной дозы; х' - координата эле-
мента поверхности 8Г'; п' - внешняя нормаль соответствующего элемента поверх-
ности; пх_х' - единичный вектор в направлении из точки х в точку х'.
После разбиения поверхности исследуемого объекта на конечное число элементов
необходимо просуммировать вклады в поглощенную в заданной точке х дозу от всех
элементов внешней поверхности КА:
D(x) = ^8Da(x),
a=l
где 8£)a(x) - доза излучения, накопленная детектором в точке х, если внешнее излу-
чение приходится на площадку 8Га.
Вклад от каждого элемента 8Га, на котором задан поток ионизирующих частиц,
определяется по данным программы SHIELDOSE [5], полученным для сферической
геометрии при всенаправленном облучении внешней поверхности КА для различных
материалов детектора: Al, Si, SiC>2, Н2О. Это позволяет проводить расчет накопления
дозы излучения в конструкционных материалах, в полупроводниковых приборах,
оптических элементах, а также в биологической ткани.
Конкретный алгоритм расчета величины D(x) на основе вычисления каждого сла-
гаемого в последней сумме включает в себя:
• проведение луча из точки х до точки х' элемента 8Га внешней поверхности КА,
на котором задан поток ионизирующего излучения;
• определение тех элементов конструкции, которые дают вклад в ослабление по-
тока частиц, движущихся с внешней поверхности в точку х, т. е. имеющих на-
правление движения Q' || (х - х');
• расчет эквивалентной толщины L каждого из участков луча (х - х'), лежащих в
пересекаемых лучом элементах конструкции КА;
• расчет величин 8£)а(х) с усреднением по исходному энергетическому спектру
частиц;
• суммирование по всей облучаемой поверхности Г.
Оптимальным для использования в подобных задачах алгоритмом трассировки
лучей является достаточно быстрый и удобный алгоритм Кируса-Бека [8]. Для опре-
деления эффективной толщины материала используется разработанный и реализо-
ванный в программе алгоритм определения точки пересечения луча с поверхностью.
После определения с помощью этого алгоритма точки пересечения луча с поверх-
ностью х' вычисляется угол а между вектором (х' - х) и касательной плоскостью эле-
мента, и производится расчет значения эффективной эквивалентной толщины
ZefT = Ы cosa. Так как луч в объекте сложной конфигурации может пересекать не-
сколько поверхностей, то значения ZefT рассчитываются для каждого элемента и затем
суммируются. Далее с учетом значений Z,efr и свойств материалов вычисляются вели-
чины 8£)а(х) и производится суммирование по всем элементам конструкции КА.
456
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
1.17.4. Модель RDOSE
Рис. 1.17.1. Схема расчета поглощенной дозы.
Стрелка указывает на точку расчета
Для проведения инженерных расчетов пространственного распределения по-
глощенной дозы в элементах конструкции реальных КА в НИИЯФ МГУ создана
компьютерная модель RDOSE [2]
Принципы расчета с помощью моде-
ли RDOSE иллюстрируются рис. 1.17.1.
Геометрическая модель КА (схематиче-
ски изображена в центре) состоит из
совокупности блоков, некоторые из ко-
торых вложены в другие. Сложная
трехмерная модель КА строится из
набора базисных геометрических эле-
ментов, объединенных в иерархиче-
скую древовидную структуру. В каче-
стве базисных элементов используются
простые геометрические поверхности и
их фрагменты: плоскость, диафрагма,
цилиндр, эллипсоид, конус, тор. Для
каждой поверхности КА задаются вид
материала и его физические характе-
ристики.
Вокруг модели КА строится сфера с равномерной сеткой точек, из которых на КА
попадают потоки частиц. Из каждой такой точки в центре элементарной площадки dS
в направлении точки расчета испускается луч, по пути которого вычисляется эквива-
Рис. 1.17.2. Окно графического интерфейса с изображением
модели фрагмента КА
ГЛАВА 1 17 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ...
457
лентная толщина защиты Д с учетом угла
встречи луча со всеми пересекаемыми
деталями конструкции и свойств исполь-
зуемых материалов. На элементарных
площадках окружающей сферы задаются
энергетические спектры падающих заря-
женных частиц.
Вычисление суммарной дозы в рас-
сматриваемой точке производится путем
интегрирования по поверхности окру-
жающей сферы. Алгоритм вычисления
поглощенной дозы позволяет учитывать
пространственно-временные вариации по-
токов частиц на каждую площадку dS.
Для построения трехмерной геометри-
ческой модели, задания исходных данных,
управления вычислительными задачами и
Рис. 1.17.3. Геометрическая модель модуля МКС
графического представления результатов
был разработан универсальный интерактивный интерфейс пользователя, рассмот-
ренный в гл. 1.9.
На рис. 1.17.2 показано графическое окна интерфейса с изображением модели
фрагмента КА, отражающей особенности его конфигурации, расположение элемен-
тов конструкции и блоков оборудования. Построенная модель содержит также ин-
формацию о физических свойствах материалов каждого элемента. На рис. 1.17.3
представлена аналогичная модель одного из модулей Международной космической
станции (МКС).
В качестве примера применения программного комплекса RDOSE приведем ре-
зультаты расчета распределения поглощенной дозы внутри модуля КА, показанного
на рис. 1.17.2. Прежде оценим вариации величины эквивалентной толщины защиты
для разных лучей, проведенных из рассматриваемой точки к сферической поверхно-
Рис. 1.17.4. Распределение толщины
эквивалентной защиты по лучам
сти. Результаты расчетов для некоторой
точки, выбранной внутри модуля, приведе-
ны на рис. 1.17.4. Гистограмма на этом ри-
сунке показывает относительное значение
(в процентах) числа лучей А, соответст-
вующих определенным значениям толщины
эквивалентной защиты Zeff-
Для иллюстрации возможных вариаций
величины поглощенной дозы внутри КА на
рис. 1.17.5а, б приведены карты распреде-
ления этой величины для некоторых сече-
ний внутренних отсеков. В нижней части
обоих рисунков показаны изолинии вели-
чин дозы в рассматриваемых сечениях. На
рис. 1.17.5а представлены результаты рас-
458 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Доза, мрад-сут
Рис. 1.17.5. Распределение суточной поглощенной дозы космической радиации в выбранных
сечениях внутри КА: а - для КА, функционирующего в РПЗ; б - для модуля МКС
четов для модуля КА, показанного на рис. 1.17.2. В данном случае рассматривается
КА, который функционирует на орбите, проходящей через область РПЗ. Значение
поглощенной дозы космической радиации в таких условиях достигает -7 ООО мрад в
сутки, а пространственные вариации дозы внутри модуля КА характеризуются фак-
тором 2-3. На рис. 1.17.56 приведены результаты аналогичных расчетов, выполнен-
ных для модуля МКС (рис. 1.17.3). Орбита станции (высота -400 км) находится ниже
РПЗ за исключением области Бразильской магнитной аномалии, поэтому величина
поглощенной дозы внутри станции составляет -10-20 мрад в сутки, т. е. в несколько
сотен раз меньше, чем для КА, функционирующего в области РПЗ.
Рассмотренная методика позволяет провести оценки флюенса электронов для лю-
бого диэлектрического элемента внутри модуля с учетом экранирования этого эле-
мента стенками модуля и другими элементами конструкции.
Для иллюстрации диапазона возможных вариаций величины внедренного заряда
внутри рассматриваемого модуля КА на рис. 1.17.6 приведено распределение вне-
дренного заряда для совокупностей точек в объеме диэлектрических элементов
конструкции. Цифрами на вертикальной шкале в левой части рисунка указана нор-
мированная величина внедренного заряда, характеризуемая также цветовым кодом,
шкала которого приведена в правой части рисунка.
Отн. ед.
Рис. 1.17.6. Распределение объемного заряда
в диэлектрических элементах конструкции КА
ГЛАВА 1.17 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ...459
1.17.5. Применение программы GEANT для расчета распределения
поглощенной дозы
Как уже отмечалось выше, среди программ, построенных на основе метода Мон-
те-Карло, выделяется своей универсальностью программный комплекс GEANT [3]. В
настоящее время этот комплекс начинает активно использоваться для решения раз-
личных задач, связанных с вопросами воздействия космической радиации на КА [9].
Комплекс GEANT может быть использован для расчета пространственного распре-
деления поглощенных доз космической радиации и остановившихся заряженных
частиц как в случае применения защитных экранов простой конфигурации, так и в
случае экранирования рассматриваемых объектов элементами КА сложной конфигу-
рации с неоднородной структурой.
Под общим названием GEANT в настоящее время существуют два различных
комплекса программ, имеющих в основном общие алгоритмы и физические модели:
стандартный комплекс GEANT-З, разработанный в 1980-1990-х гг. с использованием
языка ФОРТРАН, и новый программный комплекс GEANT-4, реализованный на язы-
ке C++ с применением методов объектно-ориентированного программирования.
Программа GEANT позволяет рассматривать взаимодействие с веществом всех
известных элементарных частиц в диапазоне энергий, практически важном для задач
взаимодействия космической радиации с КА. Нижняя граница по энергии, зависящая
от вида частиц и механизма взаимодействия, лежит в общем случае вблизи 10 кэВ.
Для электронов и фотонов в GEANT-4 использованы дополнительные данные, по-
зволяющие снизить эту границу до 250 эВ.
Среды, с которыми взаимодействуют первичные и вторичные частицы, могут
быть простыми веществами с атомными номерами Z= 1-100, или сложными мате-
риалами, описываемыми как смесь атомов. Отметим, что в GEANT практически не
учитываются структурные и коллективные эффекты взаимодействия частиц с веще-
ством.
Программный комплекс GEANT обладает развитой системой описания и пред-
ставления геометрии сложных трехмерных объектов. Любой объект конструируется
из совокупности элементов, состоящих из простых тел базового набора: параллеле-
пипедов, цилиндров, конусов, сфер и т. п., вложенных друг в друга и образующих
иерархическую структуру. Такое разбиение может
носить не только физический, но и логический ха-
рактер, например, для описания пространственного
распределения тех или иных величин, характери-
зующих взаимодействие радиации с элементами
конструкции объекта. Количество элементов и слож-
ность структуры объекта могут быть ограничены
лишь требуемыми вычислительными ресурсами.
В качестве примера на рис. 1.17.7 показана гео-
метрическая модель базового блока станции «Мир»,
включающая цилиндрические оболочки отсеков и
внутреннее пространство, логически разделенное на
Рис. 1.17.7. Фрагмент
геометрической модели
станции «Мир»
460
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
параллелепипеды декартовой сеткой. Стрелкой на рисунке показано расположение на
модуле разработанного в НИИЯФ МГУ прибора радиационного контроля Р-16. Ис-
пользуя такую модель, можно рассчитать величину поглощенной дозы космиче-
ской радиации в любом элементе конструкции. Важно, что программный комплекс
GEANT позволяет проводить расчеты характеристик радиационных воздействий на
КА для космических излучений с любыми энергетическими спектрами и угловыми
распределениями.
Проводя сравнительный анализ возможностей использования лучевых (програм-
ма RDOSE) и монте-карловских методов (комплекс GEANT) для расчета пространст-
венных распределений поглощенных доз и внедренного заряда, необходимо отме-
тить, что в отличие от простой в использовании инженерной программы RDOSE,
которая позволяет в интерактивном режиме задавать исходные данные (геометрия
КА, спектры падающих частиц) и получать результаты (распределение полей доз и
внедренного заряда), применение комплекса GEANT требует дополнительных работ
по программированию процедур описания исходных данных, сбора и обработки ин-
тересующей пользователя информации о процессах взаимодействия частиц с вещест-
вом, формирования различных выходных баз данных и гистограмм. Для получения
достаточно статистически достоверных результатов в программе GEANT число мо-
делируемых событий (падающих на КА частиц) может достигать величины ~106-108,
что требует даже на современных компьютерах многочасовых затрат машинного
времени, тогда как типичный расчет дозы в одной точке пространства по программе
RDOSE занимает нескольких секунд. Отметим однако, что для случаев относительно
простых моделей КА и проведения расчетов пространственных распределений по-
глощенных доз и внедренного заряда для достаточно большого числа точек
(~103—104) затраты компьютерных ресурсов (оперативной памяти и счетного време-
ни) для программ RDOSE и GEANT могут быть сравнимы.
Программа GEANT, как правило, используется в специализированных научных
центрах для проведения детальных расчетов воздействия различных составляющих
космической радиации на элементы конструкции и оборудования КА с учетом его
сложной гетерогенной структуры, радиационных свойств материалов и особенно-
стей процессов переноса первичных и вторичных частиц в веществе. Программы,
основанные на методе лучевого (секторного) анализа, могут применяться на пред-
приятиях космической отрасли в процессе проектирования и отработки конструк-
ции КА.
1.17.6. Программа расчета локальных доз LOCAL
В ГКБ «Южное» (г. Днепропетровск, Украина) разработана и в течение ряда лет
используется в практике создания КА программа LOCAL, предназначенная для ре-
шения следующих задач:
• разработка детализированных требований по стойкости КА к ионизационной и
неионизационной дозам ионизирующих излучений космического пространства
(ИИКП);
• оптимизация защиты критичных комплектующих элементов;
ГЛАВА 1 17 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ...
461
• генерирование исходных данных для разработки требований по стойкости к
одиночным сбоям и «защелкиваниям» в элементах микроэлектроники с ис-
пользованием модели CREME-96 [10].
Для расчета локальных поглощенных доз внутри КА в программе используется
метод секторного анализа, подобный описанному в разд. 1.17.4. В настоящее время
программа интегрирована в среду Autodesk AutoCAD Mechanical Desktop, в которой
строится расчетная 3D модель объекта (спутника или отдельно взятого прибора). Для
построения расчетной 3D модели объект аппроксимируют набором геометрических
примитивов, воспроизводящих все элементы конструкции и бортовой аппаратуры
спутника, которые препятствуют проникновению ИИКП к местам размещения кри-
тичных комплектующих элементов. Набор используемых геометрических примити-
вов включает в себя: прямоугольный параллелепипед, прямоугольник, прямоуголь-
ный треугольник, цилиндрическую поверхность, сферическую поверхность, диск.
Пример расчетной 3D модели спутника, созданной в среде Autodesk AutoCAD Me-
chanical Desktop, приведен на рис. 1.17.8.
Путем изменения конфигурации, расположения и эквивалентной защиты по алю-
минию объектов, формирующих расчетную 3D модель, программа позволяет опти-
мизировать защиту критичных элементов таким образом, чтобы заданные требования
по стойкости к ИИКП были выполнены с учетом принятого коэффициента запаса. В
программе предусмотрена возможность визуализации полей защит и доз вокруг за-
данной точки внутри КА, что позволяет легко определять сектора, где необходимо
размещать дополнительную защиту.
На рис. 1.17.9-1.17.11 представлены поля защит и доз для точки, расположен-
ной внутри блока, указанного на рис. 1.17.8. Защиты и дозы рассчитаны в угловом
секторе 2л / 3 стерадиан. Число угловых секторов при расчете было принято равным
250 000. Каждому значению вычисляемых величин соответствуют различные оттен-
ки серого цвета - от минимальных (черные тона) до максимальных (светло-серые
тона).
Сопоставление результатов расчетов, проведенных с использованием программы
LOCAL и аналогичной программы расчета локальных доз ИИКП, разработанной Бель-
гийским институтом аэрономии, которая входит в состав системы SPENVIS [11], пока-
зывает их удовлетворительное совпадение. В тестовых примерах при полной идентич-
ности рассчитанных полей защит разница в
значениях локальных доз не превысила 1,6%.
Для современных КА, где плотность раз-
мещения комплектующих элементов очень
высока, даже незначительные изменения кон-
струкции или компоновки существенным об-
разом сказываются на защищенности отдель-
ных элементов. Часто имеет место ситуация,
когда недостаток или избыток защиты для
какого-либо комплектующего элемента появ-
ляется вследствие изменений, вносимых в
конструкцию КА или соседнего прибора. защит и доз, указан стрелкой
Рис. 1.17.8. Пример 3D модели спутника,
используемой для расчета локальных доз
ИИКП. Блок, где были рассчитаны поля
462
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
а б
Рис. 1.17.9. Поля защит А1 (а) и ионизационных доз (б) для точки, указанной на рис. 1.17.8
Рис. 1.17.11. Поля доз тормозного излучения (а) и неионизационных доз (б)
Для того чтобы по мере разработки КА в максимальной степени учитывать реаль-
ную защищенность его комплектующих элементов, требования по стойкости к
ИИКП должны постоянно корректироваться. Использование методологии компью-
терного секторного анализа позволяет оперативно рассчитывать изменения ожидае-
мых доз ИИКП в точках размещения критичных элементов подсистем.
ГЛАВА 1.17 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ...
463
1.17.7. Внутренний заряд при переходе КА с низкой орбиты
на геостационарную с использованием двигателей малой тяги
В ГКБ «Южное» был разработан подход к обеспечению стойкости КА к внутрен-
нему электростатическому заряду в условиях межорбитального перехода с низкой
опорной орбиты на геостационарную орбиту, который включает:
• разработку общих и детализированных требований по стойкости к внутрен-
нему электростатическому заряду на переходной орбите;
• разработку и реализацию мер, позволяющих понизить уровень внутреннего
заряда до безопасных значений.
Применительно к задаче обеспечения стойкости к внутреннему заряду в качестве
требований используют интегральные спектры электронов РПЗ с учетом ослабления
воздействующих факторов элементами конструкции и бортового аппаратурного ком-
плекса КА в заданной точке размещения критичного комплектующего элемента. Для
оценки степени опасности внутреннего заряда для КА может быть использовано
сформулированное в [12] положение, согласно которому электрическая цепь не тре-
бует дополнительной защиты, если флюенс электронов в течение 10 часов не превы-
шает Ю10 см”2.
Чтобы воспользоваться этим критерием для формулировки требований по стойко-
сти КА к внутреннему заряду, следует решить две задачи.
1. Найти участок орбиты, где поток электронов РПЗ с энергией свыше 2 МэВ за
10 часов достигает максимального значения. Спектр этого потока используют в каче-
стве общего требования по стойкости КА к внутреннему заряду.
2. Определить трансформацию потока электронов РПЗ при их проникновении в
заданную точку внутри КА и рассчитать интегральный поток электронов в этой точке
за 10 часов. Последний параметр используют в качестве детализированного требова-
ния по стойкости КА к внутреннему заряду.
Максимальный поток электронов РПЗ на трассе межорбнтального перехода
Традиционные эмпирические модели потоков электронов РПЗ [13, 14] неприме-
нимы для анализа опасности внутреннего заряда КА главным образом потому, что
они воспроизводят спектр, усредненный на протяжении длительного временного ин-
тервала при спокойных геомагнитных условиях. Для того чтобы оценить опасность
внутреннего заряда, напротив, необходимы модели, описывающие экстремальные
значения потоков электронов в условиях повышенной геомагнитной активности.
В этом качестве может быть использована модель FLUMIC (FLUence Model for
Internal Charging) [15], с помощью которой могут быть найдены «наихудшие» с
точки зрения накопления внутреннего заряда спектры электронов РПЗ в областях
околоземного космического пространства, где параметр L находится в пределах
3,0<Z<7,0.
Для оценки экстремальных потоков электронов, которые могут воздействовать на
КА в процессе межорбитального перехода, используется алгоритм, включающий
операции расчета географических и ZB-координат КА и расчета плотности потока
электронов на последовательных временных шагах.
464
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.17.12. Потоки электронов с энергией Е > 0,2 МэВ, воздействующие на КА
в процессе межорбитального перехода
Фрагменты результатов расчетов представлены на рис. 1.17.12. Участок межорби-
тального перехода, где потоки электронов достигают максимальных значений, указан
стрелкой. Энергетический спектр потока
электронов РПЗ за 10 часов на этом участ-
ке приведен на рис. 1.17.13.
Поток электронов РПЗ в заданной точке
внутри КА
Для определения интегрального потока
электронов РПЗ в заданной точке внутри
КА может быть использован метод сектор-
ного анализа в том же виде, как он приме-
няется для расчета локальных накопленных
доз ИИКП.
Потоки электронов РПЗ в каждом из уг-
ловых секторов находят с использованием
формулы Вебера [16]. Результаты расчета
распределения потоков электронов РПЗ
для заданной точки внутри КА приведены
на рис. 1.17.14.
При проведении расчетов использовано
90000 угловых секторов, в каждом из ко-
торых определены толщины защиты. Рас-
чет выполнен в предположении, что на
внешнюю поверхность КА воздействует
поток электронов, спектр которого приве-
ден на рис. 1.17.13.
В представленном примере суммарный
поток электронов составил 1,06-10й см-2,
Рис. 1.17.13. Энергетический спектр потока
F электронов РПЗ за 10 часов
Рис. 1.17.14. Распределение потоков
электронов для заданной точки внутри КА
ГЛАВА 1.17 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ...
465
что дает основание сделать вывод о том, что в рассматриваемой точке внутри КА
существует опасность электростатического заряда, и в ходе последующих этапов
разработки должны быть предприняты меры по парированию этой угрозы.
Такими мерами могут быть:
• оптимизация трассы межорбитального перехода;
• экранирование восприимчивых к электростатическому разряду цепей бортовой
аппаратуры;
• введение дополнительных защит или оптимизация внутренней компоновки КА,
преследующие цель снизить поток электронов РПЗ в рассматриваемой точке до
безопасного уровня 1О10 см-2.
В последнем случае может быть эффективно использован разработанный в ГКБ
«Южное» подход, поскольку в его рамках легко определить места, откуда в заданную
точку проникают наиболее интенсивные потоки электронов, и подобрать минималь-
ную необходимую защиту, которая снизит их до требуемого уровня.
ЛИТЕРАТУРА
1. Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия, тт. 16, 17. Воздействие космической среды
на материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. Новикова Л.С. и Панасюка М.И.
М.: ЭНЦИТЕХ, 2000.
2. Маклецов А.А., Милеев В.Н., Новиков Л.С., Синолиц В.В. Космическая экология: моделирование ра-
диационной обстановки на борту космических аппаратов. Инженерная экология, 1997, № 1, с. 39-51.
3. Brun R. et al. GEANT User’s Guide, CERN, 1993.
4. Halbleib J.A. et al. ITS Version 3.0: The integrated TIGER series of coupled electron/photon Monte-Carlo
transport codes. SAND91-1634. UC-405. Sandia National Laboratories, USA, 1992, 125 p.
5. Seltzer S.M. Electron, electron-bremsstrahlung and proton depth-dose data for space-shielding applications.
IEEE Trans. Nucl. Sc., 1979, v. NS26, No 6, pp. 21-60.
6. Halbleib A., Vandevender W.H. ETRAN 2: A user-oriented version of the ETRAN-18b electron-photon
Monte Carlo technique. SLA-73-0834. Sandia National Laboratories, USA, 1973.
7. Калашников Н.П., Ремизович В.С., Рязанов М.И. Столкновения быстрых заряженных частиц в твер-
дых телах. М.: Атомиздат, 1980, 272 с.
8. Rogers D.F. Procedural elements for computer graphics. McGraw Hill, Inc., 1985.
9. SPENVIS & GEANT4 Space Users’ Workshop 2005. Leuven, Belgium, 3-7 October 2005.
10. Tulka A.J., Adams J.H., Boberg P.R. et al. CREME-96: A revision of the cosmic ray effects on microelect-
ronics code. IEEE Trans, on Nucl. Sci., v. 44, pp. 2150-2160.
11. Heynderickx D., Quaghebeur B., Wera J. ESA’s Space Environment Information System (SPENVIS).
http://www.spenvis.oma.be.
12. Avoiding problems caused by spacecraft on-orbit internal charging effects. NASA Technical Handbook,
NASA-HDBK-4002, 1999, 45 p.
13. Пояса Земли радиационные естественные. Пространственно-энергетические характеристики плотно-
сти потоков электронов и протонов. ГОСТ 25645.139-86. М.: Изд-во стандартов, 1986.
14. Vette J.J. The АЕ-8 Trapped Electron Environment. NSSDC/WDC-A-R&S 91-24, 1991.
15. Wrenn G.L., Rodgers D.J., Buehler P. Modeling the outer belt enhancements of penetrating electrons. J. Spa-
cecraft and Rockets, 2000, 37, pp. 408-415.
16. Weber K.-H. Nucl. Inst. Meth., 1964, v. 25, p. 261.
ГЛАВА 1.18
ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ
В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
Согоян А.В.1’2, Зебрев Г.И.2, Никифоров А.Ю.1’2, Першенков В.С.2, Чумаков А.И.1’2
1 ОАО «ЭНПО СПЭЛС»
2 Московский инженерно-физический институт {технический университет)
Список сокращений
БИС большая интегральная схема МОП металл-окисел-полупроводник
БТ биполярный транзистор МОПТ МОП-транзистор
ВАХ вольт-амперная характеристика ОУ операционный усилитель
ИИ ионизирующее излучение ПП полупроводниковый прибор
ИС интегральная схема ПС поверхностные состояния
КМОП комплементарные МОП-структуры СБИС сверхбольшая интегральная схема
ЛПЭ линейные потери энергии ТЗЧ тяжелые заряженные частицы
ВВЕДЕНИЕ
Основой современной электроники являются интегральные схемы (ИС) и полу-
проводниковые приборы (ПП), реализующие чрезвычайно широкий спектр задач
преобразования информации: от усиления сигналов и реализации простейших ло-
гических функций до выполнения сверхпараллельных вычислений.
Базовым элементом аналоговых и цифровых схем являются транзисторы.
ИС объединяют на одном кристалле от десятков (схемы малой степени интеграции)
до миллиардов транзисторов в сверхбольших (СБИС) и ультраболыпих (УБИС)
схемах.
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
467
В зависимости от принципа работы и
устройства транзисторы подразделяются на
биполярные (рис. 1.18.1а) и имеющие струк-
туру «металл-окисел-полупроводник» (МОП)
(рис. 1.18.16). Биполярные транзисторы (БТ)
преимущественно применяются в аналоговых
ИС, которые используются для усиления сиг-
налов.
МОП-транзисторы (МОПТ) составляют ос-
нову современных цифровых схем, в которых
выполняют роль элементарных переключате-
лей. При подаче на управляющий электрод
МОПТ («затвор», рис. 1.18.16) управляющего
напряжения, превосходящего некоторое поро-
говое значение, в подложке возникает прово-
дящий канал между «истоком» и «стоком»,
формируемый электронами (и-канальный тран-
зистор) или дырками (р-канальный транзис-
тор). Современные цифровые схемы выполня-
ются по «дополняющей» (комплементарной)
МОП-технологии (КМОП). Каждый каскад
Рис. 1.18.1. Структура биполярного (а)
и МОП- (б) транзисторов
такой схемы содержит группы попарно включенных п- и ^-канальных МОПТ. Физи-
ческие особенности работы МОП-структур в значительной мере определяются тех-
нологией их изготовления, в частности - нормами проектирования. Нормы проекти-
рования задают характерный пространственный масштаб элементов ИС - МОПТ,
шин металлизации и т. д. Наиболее важным геометрическим параметром МОПТ, оп-
ределяющим его физические свойства, является «длина канала» - расстояние между
областями истока и стока. В настоящее время предельные технологические нормы
для выпускаемых серийно СБИС составляют около 60 нм.
Биполярные и МОП-структуры оказываются чувствительными к воздействию
ионизирующих излучений (ИИ) различной природы. Процессы взаимодействия
излучений с полупроводниковыми и диэлектрическими материалами ИС проявля-
ются в форме радиационных эффектов.
Радиационное поведение ПП и ИС при воздействии ИИ называется ионизацион-
ной реакцией и заключается в нарушении функционирования и в изменении пара-
метров относительно норм технических условий. Ионизационная реакция различных
типов ПП и ИС отличается широким разнообразием, и для ее понимания необходимо
предварительно проанализировать доминирующие радиационные эффекты и их про-
явления в конкретных полупроводниковых структурах и элементах ИС.
Отказы большинства ПП и ИС при воздействии ИИ в основном происходят
вследствие эффектов ионизации и структурных повреждений материалов, а также
выделения тепла.
В ряде ПП и ИС возникновение отказов под действием протонного и электрон-
ного облучений обусловлено деградацией характеристик за счет появления объемных
468
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
радиационных дефектов. Структурные повреждения (образование радиационных де-
фектов внутри кристаллической решетки) оказывают влияние на электрофизические
параметры материалов: снижают концентрацию, время жизни и подвижность носи-
телей заряда. Данные эффекты наиболее существенны для биполярных ИС. В то же
время КМОП ИС имеют слабую чувствительность к объемным структурным повре-
ждениям, так как МОПТ являются приборами на основных носителях.
Поверхностные ионизационные эффекты связаны, в основном, с накоплением
зарядов в слоях подзатворных и пассивирующих диэлектриков, а также с измене-
ниями характеристик границ раздела. Данные эффекты, в основном, определяют
отказы современных ИС при воздействии космической радиации. В большинстве
ИС поверхностные эффекты практически не влияют на кратковременные отказы
(сбои) изделий.
Объемные ионизационные эффекты происходят из-за процессов генерации, ре-
комбинации и переноса неравновесных носителей в активных областях подложки и
полупроводниковых структурах ИС. В основном эти эффекты проявляются при воз-
действии импульсных ИИ - гамма-рентгеновского, электронного, лазерного и т. п.
В условиях действия космической радиации эти эффекты в классическом виде не
проявляются. Однако они могут оказаться существенными при проведении испыта-
ний ИС на импульсных ускорителях электронов и протонов.
Объемные ионизационные эффекты от радиационных факторов космического
пространства проявляются как локальные - через воздействие отдельных ядерных
частиц. В этом случае наблюдается сильная локальная кратковременная ионизация
вдоль трека частицы, что может приводить к сбоям и отказам отдельных элементов.
Обычно их называют эффектами от отдельных ядерных частиц (см. гл. 1.19).
Наряду с внутренними процессами в кристаллах ИС при радиационных воздейст-
виях имеют место сопутствующие внешние эффекты - электрические воздействия на
выводы, утечки между выводами и др. В частности, появление на выводах ИС им-
пульсов напряжения и тока происходит в результате электростатических разрядов
диэлектрических материалов из-за радиационного заряжения их при воздействии
электронов и протонов космического пространства.
Таким образом, к основным радиационным эффектам относятся:
• деградация электрических и функциональных характеристик ПП и ИС (в пер-
вую очередь, полупроводниковых и оптико-электронных) вследствие накопле-
ния радиационно-индуцированного заряда в диэлектрических структурах (по-
верхностные радиационные эффекты);
• деградация электрических характеристик ПП и ИС вследствие образования ра-
диационных дефектов внутри кристаллической структуры (объемные струк-
турные повреждения);
• возникновение мощных импульсных электрических разрядов вследствие элек-
тростатического пробоя изолирующих материалов;
• сбои и отказы от воздействия отдельных высокоэнергетичных ядерных час-
тиц (протоны с энергией выше 10-20 МэВ и ионы солнечных и галактических
космических лучей с линейными потерями энергии выше нескольких
МэВ-см2-мг-1).
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
469
1.18.1. Основные физические процессы деградации в отдельных структурах
интегральных схем
1.18.1.1. Процессы накопления радиационно-индуцированного заряда
в диэлектриках ИС
В соответствии с современными представлениями [1, 2], основные механизмы
отказов КМОП ИС при воздействии стационарного ИИ со средней и низкой мощ-
ностью дозы связаны с деградацией характеристик активных МОПТ и паразитных
структур из-за изменения параметров окисла и границ «окисел-полупроводник» и
«окисел-металлизация». К настоящему времени сформирована общая картина про-
цессов, протекающих в окислах активных и паразитных МОП-структур в процессе
облучения (рис. 1.18.2).
Рис. 1.18.2. Схематическое изображение основных процессов,
происходящих в окисле при облучении [ 1 ]
Поглощение энергии излучения в окисле сопровождается генерацией электрон-
но-дырочных пар (процесс 1 на рис. 1.18.2). Часть образующихся пар рекомбини-
рует за времена порядка 10"12 с (процесс 2). Избежавшие рекомбинации электроны
и дырки разделяются электрическим полем и участвуют в процессах переноса под-
вижного заряда через окисел (процесс 3). Электроны, обладающие существенно (в
104—106 раз) большей подвижностью по сравнению с дырками, покидают окисел за
времена ~10-12 с. Дырки под действием электрического поля переносятся через слой
окисла за счет прыжкового механизма. Часть подвижных дырок захватывается глу-
бокими центрами (процесс 4), приводя к остаточному сдвигу порогового напряже-
ния активного прибора и формированию токов утечки. Время жизни дырок на глу-
боких ловушках может достигать десятков лет. Релаксация («отжиг») положитель-
ного заряда происходит за счет захвата радиационно-генерированных электронов
окисла (процесс 5) и туннельного и термоактивационного обмена с кремниевой
подложкой (процесс 6). Процессы туннельного и термоактивационного обмена с
подложкой определяют зависимость радиационной реакции МОП-структур от ин-
тенсивности ИИ.
470
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Другим процессом, определяющим радиационное поведение МОП-структур, яв-
ляется образование поверхностных состояний (ПС) на границе Si-SiO2. Наиболее
существенную роль играют амфотерные ПС, заряд которых отрицателен в рабочей
области и-МОПТ и положителен в р-МОПТ (2/гна рис. 1.18.2). Особенностью про-
цесса является продолжение образования ПС после прекращения облучения [1].
Генерация электронно-дырочных пар в SiO2 под действием ИИ по данным иссле-
дований [3,4] практически не зависит от технологии выращивания окисла. Общее
количество образовавшихся электронно-дырочных пар определяется поглощенной
дозой ИИ. При этом в одном кубическом сантиметре при поглощенной дозе
1 рад(8Ю2) образуется Kg = 8-Ю12 см”3-рад-1(81О2) пар.
Процесс первичной рекомбинации электронно-дырочных пар существенно зависит
от типа излучения, его энергетических характеристик, а также от температуры и на-
Рис. 1.18.3. Доли разделенных электронно-
дырочных пар для разных видов излучения
как функции электрического поля в
окисле [1]: 1 - электроны (12 МэВ) и 60Со;
2 - рентгеновское излучение (10 кэВ);
3 - электроны (5 кэВ); 4 - протоны
(700 кэВ); 5 -‘а-частицы (2 МэВ)
пряженности поля в окисле. Выход реком-
бинации Y (доля пар, избежавших реком-
бинации) может составлять от 0,01 до 1
(рис. 1.18.3).
В зависимости от соотношения харак-
терного расстояния г между образующими-
ся в результате ионизации электронно-
дырочными парами и так называемым ра-
диусом термализации rt (среднее расстоя-
ние, на котором находятся электрон и дыр-
ка сразу после ионизации и термализации -
от 5 до 10 нм для SiO2) процесс рекомбина-
ции описывается различными физическими
моделями. В случае rt<^r имеет место
«парная» рекомбинация, при которой взаи-
модействие пары «электрон-дырка» можно
рассматривать обособленно от влияния
остальных носителей. Такая ситуация име-
ет место в случае относительно небольших
ионизационных потерь, характеризуемых
линейной передачей энергии (ЛПЭ), например, при воздействии высокоэнергетиче-
ских электронов и у-квантов (60Со). При высоких уровнях ЛПЭ имеет место ситуация
соответствующая рекомбинации в плотном газе электронов и дырок. Зависи-
мость выхода рекомбинации от напряженности поля £ох может быть приближенно
представлена в виде:
а Д>х |
[b + Eox J ’
(1.18.1)
где a, b, Р - эмпирические коэффициенты, зависящие от вида излучения и температу-
ры. Так, для высокоэнергетических электронов (12 МэВ) и у-квантов (60Со)
а = 0,084 MB-см"1, b = 0,35 MB-см”1, Р=1; для рентгеновского (10 кэВ) излучения
а 0,11 МВ см"1, b = 1,35 MB-см"1, р 0,8-0,9 [5, 6].
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
471
Приведенные соотношения справедливы только при воздействии излучения с
ЛПЭ порядка 10-25 МэВ-см2-г-1. Естественно, что представляют интерес аппрокси-
мации и для других значений ЛПЭ. В первом приближении можно воспользоваться
следующим соотношением [7]:
/ \-o.9
г(еох)( (1.18.2)
I 0,11 + £ох J
которое можно использовать в области ЛПЭ (LET) от 10 до 200 МэВ-см2-г-1.
Теоретический анализ, проведенный в [3], показывает относительно слабый рост
Y с увеличением температуры в диапазоне 80-293 К (-0,1% на 1 К) при полях в окис-
ле Еох > 0,5 МВсм"1.
Перенос носителей
Свободные носители, избежавшие начальной рекомбинации, участвуют в процес-
се переноса в слое SiO2. При комнатной температуре электроны, обладающие от-
носительно высокой подвижностью (-10 см2-В-1-с-1 [8]), быстро выносятся из слоя
окисла за несколько пикосекунд. В отличие от электронов, перенос дырок имеет
большую дисперсию по времени (6-8 порядков) и сильно зависит от температуры. В
диапазоне температур, являющемся рабочим для изделий электронной техники (от
-60 до +125°С), дырки покидают подзатворный окисел за времена, существенно
меньшие 1 с. При низких температурах (80 К) перенос может продолжаться до 104 с.
Этот процесс имеет прыжковый характер и негауссову кинетику. Для характерного
времени переноса половины полного заряда дырок /1/2 справедливо выражение [1]:
(d Y fWQ-qaE /2
А/2 \
\а J V кТ
(1.18.3)
где /0 - постоянная, имеющая значение порядка З-Ю"23 с; d - толщина окисла; а -
средняя длина прыжка (-1 нм); а - параметр переноса (0,25-0,33); WaQ - энергия тер-
мической активации процесса (-0,65 эВ); Еох - напряженность поля в окисле; к - по-
стоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.
Захват носителей на ловушки
В окисле МОПТ избежавшие рекомбинации дырки захватываются на ловушки,
основную часть которых составляют напряженные связи кислородных вакансий
O=Si-Si=O. Захват дырок приводит к разрыву напряженной связи и образованию
фиксированного положительного заряда, ответственным за который считается (пре-
имущественно) Е”-центр O=Si-+Si=O. В простейшем случае процессы захвата но-
сителя на центр на макроскопическом уровне описываются концепцией «сферы за-
хвата» - пространственной области, при попадании внутрь которой носителя велика
вероятность его захвата центром (модель Онзагера). Локализация кислородных ва-
кансий существенно зависит от технологии изготовления окисла. В термических
окислах ловушки расположены преимущественно у границ с подложкой и затвором в
слоях толщиной /-2-5 нм [1]. В диэлектриках, полученных методом SIMOX (им-
плантации ионов кислорода - Separation by Implantation of Oxygen), ловушки дырок
распределены приблизительно равномерно по объему окисла.
472
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Эффективность захвата дырок (доля захваченных дырок Ft от полного количества,
которое образовалось во время облучения) можно оценить из соотношения:
(1.18.4)
где Nyo - объемная концентрация ловушек дырок (кислородных вакансий), <зр - сече-
ние захвата дырок. Эффективность захвата определяется технологией изготовления
прибора и варьируется от менее 0,1 в стойких образцах до 0,1-0,5 в коммерческих
приборах. Плотность дырок, захваченных при поглощении полной дозы D в окисле
толщиной с/ох, будет, таким образом, равна:
Щот * qFt Жх) Ks d0K D, (1.18.5)
где q - заряд электрона; d0K - толщина подзатворного окисла; Y(E0K) - доля пар, избе-
жавших рекомбинации; Kg - количество электронно-дырочных пар на единицу дозы
и объема SiO2; Ft - доля дырок, захваченных в окисле вблизи границы с кремниевой
подложкой или с материалом затвора. При больших уровнях поглощенной дозы про-
исходит насыщение числа захваченных дырок. При сильных полях в окисле это свя-
зано с заполнением вакантных дырочных ловушек и достижением баланса между
захватом и нейтрализацией дырок. В целом, процессы накопления фиксированного
положительного заряда в окисле протекают более активно при повышении напря-
женности поля в окисле за счет увеличения выхода рекомбинации и ряда других эф-
фектов.
Роль центров захвата электронов в SiO2 дискуссионна. В «термических» подзат-
ворных окислах их влияние обычно малосущественно. В ряде случаев (SIMOX-окис-
лы) значительная часть положительного заряда дырок оказывается компенсированной
захваченными электронами. По-видимому, в качестве центров захвата электронов
могут выступать £’-центры.
Процессы релаксации заряда в подзатвориых окислах
Заряд в окисле является по своей природе неравновесным и имеет тенденцию к
релаксации главным образом за счет захвата радиационно-гснерированных электро-
нов («радиационный отжиг») и туннельно-термоактивационной нейтрализации.
Основным механизмом отжига положительного заряда является туннельный либо
туннельно-термоактивационный обмен с подложкой (процесс 6 на рис. 1.18.2) [10].
Кинетика туннельной релаксации в очень широком временном диапазоне (по край-
ней мере, от 10-6 до 108 с) может приближенно рассматриваться как продвижение
туннельного «фронта» в глубь окисла по логарифмическому временному закону:
xw(/) = Xln(v0/), (1.18.6)
где xm(t) - положение фронта туннелирования, т. е. область наиболее интенсивного
перезаряда ловушек; v0 - «частота попыток» туннелирования при х = 0; X - характер-
ная длина туннелирования, зависящая от потенциального барьера.
Вторым фактором, ответственным за релаксацию заряда окисла, является термо-
активационное освобождение дырочных ловушек [1], интенсивно протекающее при
повышенных температурах и также имеющее близкую к логарифмической зависимо-
сти кинетику. Релаксационные процессы ускоряются при повышении напряженности
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
473
поля и температуры. В итоге реакция МОПТ на радиационное воздействие определя-
ется совместным действием описанных процессов и оказывается растянутой по вре-
мени на много порядков.
Генерация поверхностных состояний
Другой проблемой, имеющей принципиальное значение при прогнозировании ре-
акции МОП-приборов на ИИ низкой интенсивности, является образования ПС на
границе Si-SiO2. Особенностью процесса является продолжение образования ПС
после прекращения облучения [1, 11]. Наиболее существенную роль в определении
радиационной реакции МОПТ играют амфотерные ПС, заряд которых отрицателен в
рабочей области и-МОПТ и положителен в р-МОПТ. Многочисленные эксперименты
свидетельствуют [1], что предельное количество ПС, образующихся в конкретной
структуре в результате облучения, в первом приближении не зависит от мощности
дозы и определяется полной поглощенной дозой ИИ. Благодаря этому при расчетно-
экспериментальном моделировании низкоинтенсивного воздействия можно считать,
что количество агентов, приводящих к образованию ПС, независимо от их природы
может быть адекватно воспроизведено при лабораторном воздействии. Таким обра-
зом, важным вопросом остается кинетика генерации ПС в процессе и после прекра-
щения облучения.
Сложились два основных подхода к объяснению природы ПС и механизма их ге-
нерации [12-16]. Первый предполагает участие водорода и его соединений; второй
связывает происхождение части ПС с отжигом положительного заряда и структур-
ным преобразованием его в ПС («конверсионные» модели).
Водородная модель предполагает активную химическую роль соединений водо-
рода (в первую очередь протонов и атомарного водорода) в генерации ПС. Основная
часть ПС связывается с Р/,-центром и его модификациями. Наибольшее распростра-
нение получила «протонная» модель образования ПС при облучении [1]:
=Si-H + Н+ + е" -> =Si- + Н2. (1.18.7)
Существуют также свидетельства возможности взаимодействия соединений во-
дорода с £’-центрами и образования ПС, по структуре отличных от Р/,-центров. В
рамках «водородной» модели находят объяснение многие особенности процессов
пострадиационного формирования ПС, имеющие временной масштаб до 104-105 с
[1, 11-16].
«Конверсионные» модели [17] связывают медленное довстраивание ПС с процес-
сами трансформации (конверсии) положительного заряда окисла в ПС в результате
электронного обмена дефектов окисла с подложкой.
Кинетика формирования ПС при облучении и отжиге определяется влиянием трех
основных групп процессов [1].
1. «Быстрая» составляющая, по-видимому, обусловлена прямой ионизацией свя-
зей на границе Si-SiO2 и реакциями, протекающими в непосредственной близости от
границы Si-SiO2. Принципиальной особенностью данной группы эффектов является
зависимость их вклада только от полной поглощенной дозы и независимость от вре-
менных параметров процесса. Образования ПС по этому механизму после прекраще-
ния облучения не происходит. Эта составляющая сублинейно зависит от дозы по зако-
474
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.18.4. Характерная кинетика
латентной релаксации
ну Д VIT ccDa (а = 0,6-1,0), и не насыщается
до уровней доз более 20 Мрад (SiO2).
2. Образование части ПС при больших
временах (в том числе, после прекращения
облучения) может быть обусловлено опи-
санными выше физико-химическими про-
цессами. Темп формирования этой компо-
ненты ПС ускоряется с повышением тем-
пературы, процесс имеет характерную
энергию активации около 0,7-0,9 эВ.
3. Третьим фактором, оказывающим
влияние на функционирование КМОП ИС
в условиях воздействия ИИ низкой интен-
сивности, являются задержанные (латент-
ные) релаксационные процессы [18], дей-
ствие которых проявляется в резком возрастании темпов отжига положительного
заряда и образования ПС спустя некоторое (как правило, значительное) время после
прекращения облучения (рис. 1.18.4). В качестве основного механизма рассматрива-
ется диффузия молекулярного водорода в окисел. Экспериментально оцененная
энергия активации составила около 0,5 эВ, что совпадает с аналогичной характери-
стикой процесса диффузии молекулярного водорода в пленках SiO2 и в кремнии.
В отличие от £’-центров большая часть ПС стабильна при повышенных
(до 150°С) температурах.
1.18.1.2. Деградация параметров МОПТ
Основными радиационно-чувствительными параметрами МОПТ являются удель-
ная крутизна, наклон характеристики в подпороговой области и пороговое напря-
жение.
Удельная крутизна МОПТ зависит от подвижности носителей в их каналах. Воз-
действие ИИ приводит к уменьшению эффективной подвижности носителей как
и-канальных, так и р-канальных МОПТ. Экспериментально установлено, что под-
вижность зависит от поверхностной плотности ПС [1]. Дозовую зависимость удель-
ной крутизны Ьп для транзисторов обоих типов можно записать в форме эмпи-
рического соотношения:
/>„(„)(£>) =-( (1.18.8)
где 6„(р)(0) - крутизна транзисторов до облучения; а - эмпирическая константа, рав-
ная приблизительно а/Т = (8-12)4О-13 см-2 [19]. Зависимость плотности ПС от дозы
определяется интенсивностью излучений. При высокой мощности дозы зависимость
часто оказывается слабее линейной и имеет вид AN/T(D) ~Г>2/3 [1]. При низкоинтен-
сивном облучении зависимость носит, как правило, линейный характер AN/T(D) ~ D.
В любом случае, крутизна является убывающей функцией дозы для всех типов тран-
зисторов и для любых мощностей доз.
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
475
Пороговые напряжения
Характер изменения пороговых напряжений от дозы сильно зависит от типа тран-
зистора и мощности дозы ИИ. Накопление положительного заряда в подзатворном
окисле приводит к отрицательному сдвигу пороговых напряжений п- и р-МОПТ. В
случае, если ловушки дырок локализованы вблизи границы с кремнием, величина
компоненты сдвига порогового напряжения, обусловленная положительным зарядом,
&УОТ - ~&Qot/ Gx-
В линейном приближении:
=-4г^ = -^Жх)—KsD^d2D,
Сох eoxSo
(1.18.9)
где Сох - емкость; d- толщина подзатворного окисла.
Как указывалось выше, на границе «кремний - оксид кремния» при облучении
образуются преимущественно амфотерные ПС, суммарный заряд которых положите-
лен в рабочей области р-МОПТ и отрицате-
лен в рабочей области я-МОПТ. В результа-
те дозовая зависимость сдвига порогового
напряжения w-канального транзистора мо-
жет оказаться немонотонной (рис. 1.18.5) в
отличие от р-МОПТ.
Размах подпороговых характеристик
Скорость изменения тока как функция
напряжения характеризуется подпороговым
размахом S, определяемым формулой:
dVe
S =---s—
<WDS)
(1.18.10)
Эта величина характеризует изменение
смещения на затворе, необходимое для из-
менения тока на порядок, и приблизительно
постоянна в подпороговой области работы
МОПТ.
В необлученных транзисторах подпо-
роговый размах превосходит свое мини-
мальное значение (60 мВ на декаду) обычно
не более чем на 50%. При облучении подпо-
роговый размах может вырасти в несколь-
ко раз за счет образования ПС, что вызы-
вает рост тока утечки закрытого МОПТ
(рис. 1.18.6).
Совместное влияние процессов форми-
рования ПС и релаксации положительного
заряда окисла определяют реакцию ИС к
Рис. 1.18.5. Иллюстрация дозовых
зависимостей сдвига порогового
напряжения: а - и-МОПТ, б -р-МОПТ:
1-ДИ/г;2-ДИог;3-ДИг
416
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.18.6. Изменение ВАХ МОПТ до (1)
и после облучения (2): а - надпороговый,
б - подпороговый участок
Рис. 1.18.7. Зависимость компоненты сдвига
порогового напряжения, обусловленной
положительным зарядом, от d [1]: 1 -
зависимость (1.18.9), 2 - характерная
экспериментальная зависимость
воздействию ИИ низкой интенсивности.
Особенно критичными к интенсивности
воздействия являются w-канальные МОПТ,
в которых знаки зарядов окисла и ПС про-
тивоположны. В результате происходит
частичная компенсация сдвига порогового
напряжения «-МОПТ при облучении. При
низкоинтенсивном воздействии за счет
отжига положительного заряда и медлен-
ного довстраивания ПС общий сдвиг по-
рогового напряжения «-МОПТ может ока-
заться положительным и привести к появ-
лению новых механизмов отказа ИС по
сравнению с режимом облучения при
средней мощности дозы.
В современных СБИС толщина d под-
затворного окисла МОПТ снижается до
2-5 нм, в результате чего радиационная
чувствительность МОПТ резко уменьша-
ется (рис. 1.18.7). Как следствие, роль и
степень дозовой деградации снижаются
по сравнению с влиянием паразитных
структур. Вместе с тем в субмикронных
МОПТ проявляются новые механизмы
радиационной деградации, приводящие к
ухудшению характеристик надежности
МОПТ и формированию предпосылок
катастрофического отказа СБИС. К ним, в
первую очередь, можно отнести процессы
деградации и разрушения подзатворного
диэлектрика - формирование радиаци-
онно-индуцированных токов утечки (га-
diation induced leakage current - RILC),
«мягкий» пробой (soft breakdown - SBD) и
эффекты, вызванные воздействием отдель-
ных ядерных частиц: так называемые
single-event gate rupture (SEGR), «жест-
кий» (hard breakdown) пробой и эффекты
вторичного пробоя (single-event burnout -
SEB) [2,7,20-22]. Последние эффекты
относятся к локальным радиационным
эффектам, вызванным отдельными ядер-
ными частицами, и рассмотрены в
гл. 1.19.
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
477
Радиационно-стимулированный отжиг и динамический режим облучения
В процессе облучения наблюдается компенсация положительных дефектов ра-
диационно-индуцированными электронами из зоны проводимости окисла кремния.
Этот процесс имеет экспоненциальную кинетику и действует, в отличие от первого
случая, только во время облучения. Такой процесс иногда называют радиационно-
стимулированным отжигом {Radiation Induced Charge Neutralization - RICN). Он су-
щественно зависит от направления и величины электрического поля во время облу-
чения и наиболее эффективен тогда, когда поток радиационно-индуцированных
электронов проходит сквозь слой положительно заряженных дефектов (кулоновский
захват). Кроме того, этот процесс релаксации оказывается доминирующим при
больших дозах, когда из-за большой концентрации положительного заряда в окисле
скорость захвата электронов на положительные дефекты может сравниться со скоро-
стью накопления этих дефектов.
Наихудший электрический режим облучения соответствует случаю, когда дырки
движутся в направлении подложки кремния, т. е. стационарному положительному
смещению на затворе. Переключения напряжения на затворе во время облучения
приводят к тому, что поток радиационно-индуцированных электронов в окисле все
время меняет свое направление, и электроны из окисла захватываются на положи-
тельно заряженные ловушки, существенно уменьшая суммарный положительный
заряд в окисле [23]. В итоге облучение w-канальных транзисторов в динамическом
режиме способствует усилению эффекта «сверхвосстановления» порогового на-
пряжения. На рис. 1.18.8 представлены результаты экспериментов по облучению и
отжигу «-канальных МОПТ при различных смещениях [24, 25]. Видно, что сдвиг по-
рогового напряжения для различных комбинаций затворного напряжения во время
облучения и отжига может отличаться более чем в три раза.
Влияние интенсивности облучения
Наземные радиационные испытания приборов и систем проводятся, как правило,
при высокой мощности дозы (> 100 рад-с"1), в то время как реальная мощность дозы
в космических условиях очень мала (как правило, меньше 10"3 рад-с"1). На рис. 1.18.9
Рис. 1.18.8. Сдвиг порогового напряжения как функция времени облучения и отжига (а)
и дозы (б): а - зависимости для различных постоянных смещений при облучении и отжиге;
б - сравнение зависимостей при постоянном и переменном смещениях
478
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.18.9. Сдвиг порогового напряжения
для и-МОПТ в зависимости от суммарного
времени облучения и отжига для
различных интенсивностей при
фиксированной дозе 100 крад(8Ю2)
представлены экспериментальные зависи-
мости сдвига порогового напряжения как
функции суммарного времени облучения и
отжига для w-канальных МОПТ с толщи-
ной подзатворного диэлектрика 60 нм,
изготовленных в лаборатории Sandia Labo-
ratories. За начало отсчета на этом графике
принято начало соответствующих циклов
облучения.
При высокой интенсивности облучения
сдвиг порогового напряжения велик и от-
рицателен из-за захвата дырок в окисле, а
при низкой - он становится положитель-
ным из-за преобладающего влияния ПС.
Необходимо отметить, что облучение при
высокой интенсивности с последующим
отжигом в пределах экспериментальной
ошибки эквивалентно облучению при низ-
кой интенсивности с такой же общей продолжительностью и дозой (при одинаковых
условиях облучения - температуре и смещении). Такая эквивалентность наблюдалась
при изменении интенсивности в широком диапазоне 0,05-Ю9 рад (SiO2)-c-1. Это дает
основание считать, что процессы накопления зарядов в объеме окисла и процессы
накопления ПС имеют универсальную природу и принципиально не отличаются для
случаев низкой и высокой интенсивностей. Таким образом, зависимость от интен-
сивности не является эффектом мощности дозы, а различие в сдвигах порогового
напряжения при разных интенсивностях определяется только временами накопления
и отжига заряда в объеме окисла и образования ПС.
В линейном приближении для компоненты сдвига порогового напряжения
обусловленной положительным зарядом, при облучении с постоянной мощностью
дозы Р можно записать следующие выражения [26]:
• при облучении:
&V0T=Pt A-Bin— ,
I J
(1.18.12)
• в процессе отжига:
ДГог = РТ(А—ВХ),
T + t t т
= In———^- + —lll(l+—-),
(1.18.13)
(1.18.13а)
где t - время при облучении; Т - общая продолжительность облучения; ta - время
отжига; А, В - параметры.
Таким образом, дозовые эффекты вызывают уменьшение коэффициентов усиле-
ния БТ, крутизны МОПТ, рост токов утечек в закрытом состоянии и т. п. Многообра-
зие физических процессов, протекающих в окислах МОП- и биполярных структур,
приводит к сложной зависимости радиационного поведения приборов от характери-
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
479
стик излучения и окружающей среды. Степень дозовой деградации характеристик
МОПТ при воздействии низкоинтенсивных ИИ в большинстве случаев является воз-
растающей функцией времени облучения. Температура внешней среды и ее колеба-
ния, электрический режим, в котором находятся приборы, интенсивность облучения
могут заметно влиять на скорость деградации. Дозовая деградация при воздействии
ИИ низкой интенсивности имеет характер постепенного «старения», т. е. эти эффек-
ты незаметны при относительно коротких сроках существования объекта либо в на-
чале его эксплуатации в космосе. Еще одной особенностью дозовой деградации явля-
ется ее слабая качественная зависимость от характера излучения (энергетического
спектра и типа ионизирующих частиц). В современных МОП-структурах радиацион-
ная чувствительность активных структур снижается, однако возрастает значение но-
вых механизмов радиационной деградации приборов.
1.18.2. Радиационные эффекты в интегральных структурах
1.18.2.1. Типы отказов ИС и их связь с деградацией электрических характеристик
По своему характеру отказы ИС можно разделить на параметрические и функ-
циональные [27]. Параметрические отказы соответствуют выходу характеристик
приборов за пределы норм технических условий. Функциональные отказы характери-
зуются полной или частичной потерей работоспособности прибора. Среди парамет-
рических отказов ИС можно выделить «цифровые» (по выходным уровням, временам
переключения), аналоговые (по коэффициентам усиления, напряжениям смещения,
рабочим частотам и т. п.) и отказы по смешанному сигналу (точность, разрешение,
искажения и т. п.).
Длительность активного существования аппаратуры КА во многом определяется
стабильной работой микроэлектронных компонентов и ИС. При облучении измене-
ние характеристик ИС как целого определяется деградацией составляющих схему
элементов и паразитных структур, но это изменение носит чрезвычайно сложный
характер. Полное описание функциональных параметров ИС и их радиационного
отклика затруднительно, в том числе и по причине трудности выбора информатив-
ных критериальных параметров. В качестве таковых обычно используют простейшие
входные и выходные параметры ИС. При этом параметрические отказы можно опре-
делить по дрейфу этих характеристик за пределы норм технических условий. С дру-
гой стороны, эти характеристики могут быть связаны с радиационным откликом от-
дельных элементов ИС либо небольших блоков.
Экспериментальное изучение радиационной стойкости аппаратуры происходит во
многих случаях на уровне отдельных элементов (транзисторов) ИС. Это связано с
тем, что понять природу радиационной деградации сразу на уровне более или менее
сложной цепи очень трудно, и приходится сначала в рамках некоторой модели ин-
терпретировать результаты для одного транзистора, а затем пытаться предсказать
поведение всей схемы в целом. Экспериментальное исследование радиационного
отклика такой сложной системы, как ИС, всегда носит неполный характер. Неполно-
та информации может приводить к неверному заключению о случайной природе на-
блюдаемых особенностей поведения ИС при воздействии ИИ, в то время как на са-
480
ФИЗИЧЕСКИЕПРОЦЕССЫВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
мом деле такое поведение может оказаться следствием детерминированного взаимо-
действия процессов деградации в отдельных частях схемы.
Теоретически полный анализ и предсказание радиационного отклика микросхем
могут основываться на детальном моделировании работы ИС с учетом моделей де-
градации отдельных ее элементов (например, с помощью системы SPICE - см.
разд. 1.18.5). Этот путь имеет существенные недостатки, поскольку результаты та-
кого чрезвычайно громоздкого моделирования сами по себе довольно обширны и
требуют дальнейшего осмысления и обобщения. Еще одним недостатком схемо-
технического моделирования является необходимость использования детальной
информации о параметрах приборов и отсутствие надежных моделей с набором
параметров, адекватных проблемам моделирования надежности и радиационной
стойкости микросхем.
Другим подходом является качественный анализ работы схемы, определение кри-
тических участков схемы, а также содержательных информативных параметров, че-
рез которые можно связать деградацию ИС с деградацией отдельных ее элементов.
Выбор таких параметров возможен, если параметры всей микросхемы определяются
характеристиками одного или небольшого количества ее транзисторов. Например,
входной ток операционных усилителей (ОУ) практически полностью определяется
базовым током одного или двух БТ на входе дифференциального усилителя, в то
время как напряжение смещения того же ОУ может зависеть от параметров множест-
ва транзисторов, в том числе и в других каскадах.
Следует отметить, что такой подход также имеет серьезные ограничения, по-
скольку радиационная стойкость ИС в целом обычно не совпадает с радиационной
стойкостью составляющих ее элементов. Характер топологии и сама архитектура
схемы накладывают на радиационный отклик параметров схемы условия, которые
либо нивелируют эффекты деградации одного элемента на уровне всей схемы, либо,
что бывает чаще, усиливают степень деградации ИС в целом. Типичным примером
являются КМОП логические элементы И-НЕ и ИЛИ-HE. На уровне логического
элемента радиационная деградация отдельных транзисторов либо смягчается схем-
ными эффектами (в элементах И-НЕ), либо усугубляется архитектурой ячейки
(в элементах ИЛИ-HE). В целом, уровень отказов ИС определяется радиационной
стойкостью наиболее чувствительных ее компонентов и блоков.
Кроме того, радиационная стойкость, как правило, уменьшается с повышением
функциональных характеристик приборов. Поэтому имеется большой потенциаль-
ный риск длительной эксплуатации в космических условиях таких прецизионных
устройств, как высокоразрядные ЦАП и АЦП (с разрядностью 14 и выше) и ОУ с
очень сильными ограничениями на входные параметры (например, напряжение сме-
щения ниже 200 мкВ или входной ток ниже 1 нА).
1.18.2.2. Особенности процессов деградации толстых изолирующих окислов
Повышение степени интеграции приводит к возрастанию роли паразитных струк-
тур в формировании радиационного поведения ИС. Это связано, в первую очередь, с
повышением качества и уменьшением толщины подзатворного окисла современных
МОПТ до 2-5 нм (см. разд. 1.18.1.2).
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
481
Фиксированный
положительный
заряд
Изолирующий
окисел
Рис. 1.18.10. Иллюстративная схема утечки через два паразитных канала, образующихся
в области «птичьего клюва» изоляционного окисла при накоплении в нем
радиационно-индуцированного положительного заряда
Поскольку радиационная чувствительность основных параметров активного
МОПТ приблизительно пропорциональна t/ox2, где t/ox - толщина подзатворного окис-
ла [1], отказ ИС из-за деградации «полевого» окисла МОПТ может наблюдаться при
уровнях доз, недостаточных для заметного изменения параметров современных ак-
тивных приборов (см. разд. 1.18.1). Как показывают исследования [2], стойкость
коммерческих КМОП ИС, выполненных по субмикронным проектным нормам, в
большинстве случаев определяется возникновением при облучении утечек вдоль ка-
нала под переходной областью толстого окисла («птичий клюв» - рис. 1.18.10). Важ-
нейшей особенностью толстого окисла по сравнению с подзатворным является пре-
обладание (во всем практически значимом диапазоне доз) положительного заряда
над зарядом ПС.
При этом рабочий и два боковых паразитных транзистора оказываются включен-
ными параллельно, но обладают существенно разными характеристиками (порого-
выми напряжениями, удельной крутизной, подпороговым размахом и т. п.).
В грубом приближении подпороговый ток утечки транзистора 1Т можно оценить
по формуле, которая непосредственно следует из определения подпорогового разма-
ха S в предположении его независимости от затворного напряжения (см. 1.18.11):
IL =Zr10-Kr ls, (1.18.14)
где IT - ток через транзистор при затворном напряжении, равном пороговому значе-
нию (этот ток слабо меняется при облучении); Ут- пороговое напряжение.
В необлученных интегральных транзисторах токи утечки определяются активной
областью и лежат в пределах 10~H-10~7 А-мкм"1. При облучении образуется паразит-
ный транзистор, который имеет характеристики, существенно отличные от характе-
ристик основного прибора. В частности, эффективная толщина окисла паразитного
транзистора заметно больше, чем толщины подзатворной области, что приводит к
тому, что подпороговый размах его характеристик намного больше, чем у активных
приборов. Другой особенностью паразитных транзисторов является повышенная
скорость накопления положительного заряда, поскольку &Qoi(D) ~ t/ox2. Поэтому по-
482
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.18.11. Подпороговые токи,
обусловленные утечками в толстых окислах
при различных дозах D, [крад(81О2)]:
1 - 1; 2 - 2; 3 - 3; 4-4; 5 - 5; 6 - 10
роговое напряжение паразитного транзи-
стора заметно сдвигается в отрицательную
сторону, вызывая увеличение токов утеч-
ки. Типичной является ситуация, при ко-
торой токи через паразитные транзисторы
доминируют в подпороговой области
вольт-амперных характеристик (ВАХ) и
слабо влияют на надпороговую характе-
ристику (рис. 1.18.11).
Обеспечение радиационной стойкости
современных микросхем требует контроля
электрических и радиационных парамет-
ров паразитных транзисторов на толстых
окислах. Роль релаксационных процессов
сводится к уменьшению токов утечки.
Особенности деградации изолирующего
окисла и формирования утечек необходи-
мо учитывать при разработке методик расчетно-экспериментального прогнозирова-
ния характеристик КМОП БИС и СБИС.
1.18.3. Радиационные эффекты в биполярных интегральных схемах
Известно, что мотивацией к возникновению радиационной электроники для кос-
мического применения в начале 1960-х гг. послужило уменьшение коэффициента
усиления БТ на борту американского спутника «Telstar», которое произошло при
прохождении аппарата через искусственный радиационный пояс Земли и привело к
отказам электронного оборудования на его борту.
В ранних дискретных приборах доминировала деградация, вызванная структур-
ными повреждениями в объеме базы, однако совершенствование технологии, умень-
шение размеров БТ и переход к интегральным микросхемам большой и сверхболь-
шой степени интеграции привели к тому, что доминирующими стали поверхностные
радиационные эффекты. Эти эффекты связаны с процессами накопления ПС и заряда
в пассивирующем окисле над базовой областью транзистора по периферии эмиттер-
ного перехода. В отличие от объемных дефектов, этот механизм деградации имеет
место при облучении гамма фотонами и электронами, в том числе и с малыми интен-
сивностями, характерными для космического пространства.
1.18.3.1. Деградация элементов биполярных структур
Радиационно-индуцированные токи утечки
Главный механизм отказов цифровых биполярных микросхем (несмотря на очень
высокую радиационную стойкость входящих в них планарных БТ) связан с появле-
нием «паразитной» утечки между соседними скрытыми слоями и-типа, прилегающи-
ми к изолирующему окислу, за счет действия поверхностных радиационных эффек-
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
483
Рис. 1.18.12. Коэффициент усиления БТ
как функция смещения на переходе база-
эмиттер Иве для различных доз облучения
D, [крад(БЮ2)]: 1 - 0; 2 - 10; 3 -20;
4-50; 5-100; 6-200; 7-500
тов. Утечка появлялась, когда радиацион-
но-индуцированный заряд, накопленный в
изолирующем окисле, приводил к инверсии
проводимости ^-области, расположенной
между соседними и-областями (между кол-
лектором и эмиттером одного NPN БТ, ли-
бо между разными транзисторами). В на-
стоящее время эти эффекты устранены на
технологическом уровне [11].
Эффекты деградации коэффициента
усиления
На границе раздела образуются допол-
нительные центры рекомбинации, что и
приводит к уменьшению времени жизни.
Как результат деградации времени жизни
коэффициент усиления БТ существенно
уменьшается в биполярных транзисторах PNP и NPN типов. Следовательно, коэффи-
циент усиления р в режиме включения с общим эмиттером существенно уменьшает-
ся в БТ PNP и NPN типов (см. рис. 1.18.12) [28], что может приводить к функцио-
нальным и параметрическим отказам.
NPN транзистор
Транзисторы NPN типа чаще всего имеют
планарную топологию (рис. 1.18.13). Наиболее
радиационно-чувствительной областью в таких
транзисторах является граница раздела между
пассивирующим окислом и р-п переходом
эмиттер-база.
Рис. 1.18.13. Структура планарного
NPN транзистора: пунктиром обозначена
радиационно-чувствительная область
Поверхностная рекомбинация пропорцио-
нальна сечению захвата на радиационно-инду-
цированные ловушки (~10~16—10-15 см2), теп-
ловой скорости носителей (~107см-с-1 при
Г=300К) и поверхностной плотности рекомбинационных центров AN/T. Дозовая
зависимость коэффициента усиления Р(£>) NPN БТ выражается формулой:
1 1 .
------------=--------------1- Aq
m р0
CTrvrt^r,(D)
Ic
1 <3vhAN(D) и2 ( q<ps A
= — +A q-^—r'v ' exp-^--l ,
₽o Ic N\ kT )
(1.18.15)
где po - коэффициент усиления до облучения; А - эффективная площадь чувстви-
тельной области; ANr, — плотность радиационно-индуцированных ловушек; 1с - кол-
лекторный ток; ns и по — плотность неосновных носителей в базе у границы раздела и
484
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
в объеме; ср$ - изгиб поверхностного потенциала в /j-базе за счет положительного
заряда, захваченного в пассивирующем окисле при облучении. Таким образом, де-
градация коэффициента усиления определяется как за счет заряда в окисле (так как
ср$ зависит от АЛ^г), так и за счет накопления ПС (поскольку количество рекомбина-
ционных центров пропорционально плотности ПС ANrt ~ zW/r). Расчеты показывают,
что сильная зависимость поверхностного потенциала от заряда в окисле имеет место
только в узком диапазоне доз, когда показатель экспоненты невелик. Поэтому дозо-
вая зависимость деградации коэффициента усиления оказывается существенно сла-
бее экспоненциальной.
Отметим также, что с ростом тока коллектора (при повышении уровня инжекции)
роль процессов деградации заметно уменьшается.
PNP транзистор
Транзисторы PNP типа могут иметь боковую, вертикальную и подложечную
структуру. Особенно чувствительными к эффектам полной ионизационной дозы яв-
ляются горизонтальные PNP транзисторы, которые, как и горизонтальные NPN БТ,
имеют радиационно-чувствительную границу раздела «окисел-кремний» над р-п пе-
реходом эмиттер-база.
В то же самое время вертикальные PNP транзисторы наименее чувствительны к
ионизационным эффектам по сравнению с другими биполярными приборами, вклю-
чая вертикальные NPN транзисторы [22]. Влияние заряда в защитном окисле PNP
транзистора на его деградацию не столь однозначно, как в случае NPN БТ, поскольку
он приводит не к обеднению, а к обогащению приповерхностного слоя базы. Тем не
менее, качественно радиационная деградация PNP транзисторов практически не от-
личается от поведения NPN транзисторов.
Факторы, влияющие на количественный характер деградации БТ
В целом, количественные эффекты деградации БТ в составе ИС весьма сложны и
существенно зависят от очень многих факторов, таких как:
• полярность включения во время облучения;
• толщина и качество окисла над переходом эмиттер-база (чем толще, тем силь-
нее деградация);
• эффективность захвата заряда в окисле;
• величина и направление краевых и контактных электрических полей в окисле;
• приповерхностная концентрации носителей в эмиттере и базе (чем выше уро-
вень легирования и / или приповерхностная концентрация, тем слабее деграда-
ция);
• отношение длины периметра и площади эмиттера (увеличение отношения уси-
ливает деградацию);
• соотношение боковой и вертикальной составляющей токов (вертикальные
структуры имеют, в целом, большую радиационную стойкость, чем боковые);
• уровень инжекции (увеличение уровня инжекции уменьшает деградацию);
• температура во время облучения (чем больше, тем сильнее деградация);
• мощность дозы.
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
485
Кроме того, зависимость деградации от мощности дозы носит в биполярных ИС
аномальный характер, что также затрудняет прогнозирование радиационной стойко-
сти таких схем в космических условиях.
1.18.3.2. Эффект низкой интенсивности и его моделирование
В начале 1990-х гг. стало известно, что деградация коэффициента усиления может
существенно усугубляться при низкой интенсивности облучения в противополож-
ность тому, что имеет место в МОПТ. При одной и той же полной дозе облучения
деградация базового тока (коэффициента усиления) при низкой интенсивности может
существенно превосходить такую же деградацию при большой интенсивности. Впер-
вые сообщение об этом эффекте было опубликовано в англоязычной литературе в
1992 г. [28]. Тем не менее, насколько нам известно, впервые этот эффект был описан
в диссертации Баринова Ю.В. в середине 1980-х гг.
Эффект наблюдался в очень широком классе типов интегральных аналоговых би-
полярных схем (ОУ, регуляторы напряжения и т. п.). При этом оказалось, что он име-
ет место только в составе ИС и не обнаружен в дискретных БТ [29]. Это означает, что
физические процессы, ответственные за этот эффект, происходят в толстых защит-
ных окислах ИС, отсутствующих в составе дискретных приборов. Эффект низкой
интенсивности проявляет себя для БТ обоих типов (NPN и PNP) и также зависит от
множества явных (например, электрического режима или температуры, см. рис. 1.18.14)
и скрытых факторов. Последнее приводит к плохой количественной воспроизводи-
мости эффекта от образца к образцу даже в рамках одной партии.
Эффект малой мощности дозы в условиях космического пространства был впер-
вые обнаружен в [30, 31] уже при дозах ~4 крад(Б1). Было показано [30], что эффект не
является специфическим свойством лабораторного у-облучения, а может иметь место
и в космическом пространстве, где основными источниками ионизации являются
электроны и протоны радиационных поясов. В соответствии с данными, представ-
Рис. 1.18.14. Зависимость приращения базового тока /в: а - для NPN (epic) транзистора
от поглощенной дозы D при различных значениях мощности дозы Р и напряжения
база-эмиттер ИВЕ [32]; б - биполярного PNP транзистора (20 крад(8Ц, 25°C) от ИВЕ
при разных значениях Р, [рад е-1]: 1 -0,001; 2-0,01; 3 -0,1; 4 -294
486
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.18.15. Зависимости входного тока
ОУ LM-124 от дозы, полученные на
спутнике (1) и в лабораторных условиях
при у-облучении (60Со) с мощностью
дозы, [рад е-1]: 2 - 0,01; 3 - 0,1 [30]
ной дозе.
ленными на рис. 1.18.15, прогноз, основан-
ный на кривой, полученной в лабораторных
условиях при высокой мощности дозы, да-
же при полной дозе ~70 крад приводит к
десятикратной ошибке по сравнению с ре-
альными условиями эксплуатации.
Моделирование эффекта низкой
интенсивности
Особенность проблемы состоит в том,
что для моделирования эффекта низкой
интенсивности в биполярных приборах
нельзя использовать типовую методику
прогнозирования, широко применяемую
для МОП-приборов. Методика основана на
использовании лабораторного облучения с
высокой интенсивностью и последующего
высокотемпературного отжига. При высо-
котемпературном отжиге коэффициент усиления облученных БТ увеличивается, т. е.
избыточный ток базы уменьшается, в то время как для моделирования эффекта низ-
кой интенсивности необходима его большая деградация при одинаковой поглощен-
Скорость деградации БТ при высокоинтенсивном облучении повышается с рос-
том температуры, что служит основанием для методики прогнозирования низко-
интенсивного отклика при помощи облучения при повышенных температурах
(80-120°С). Проблема выбора оптимальной температуры облучения полностью не
решена и исследуется до настоящего времени [23, 33].
Данная методика ориентирована на получение только факта, что прибор при дан-
ной дозе будет функционировать при любой интенсивности ИИ. Поэтому более
предпочтительной является методика прогнозирования, основанная на циклических
процедурах облучение-отжиг [9].
1.18.4. Особенности радиационных отказов больших интегральных схем
Отказы БИС при воздействии ИИ в основном обусловлены теми же причинами,
что и в ИС малой и средней степени интеграции. Это, в первую очередь, встраивание
радиационно-индуцированного заряда в окислах и формирование ПС. Вместе с тем,
для БИС существует ряд особенностей, которые необходимо учитывать при их мо-
делировании. Специфика проявления радиационных эффектов в БИС обусловлена
прежде всего малыми размерами активных элементов микросхем (следствием чего
является проявление эффектов в микрообъемах активных структур), разбросом
характеристик однотипных элементов, трудностью проведения полного функцио-
нального контроля, возможностью появления отказов из-за нарушения синхронной
работы внутренних узлов, увеличением вклада пассивных областей и влиянием пара-
зитных структур [34].
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
487
Выше было выявлено, что как для МОП, так и для биполярных ИС важную роль
при уменьшении геометрических размеров играют краевые эффекты. Кроме того, для
транзисторов с малыми размерами более существенными оказываются зависимости
от напряжения сток-исток, влияют эффекты, связанные с «горячими» носителями,
проявляются полевые эффекты из-за высоких напряженностей электрических полей
и ряд других [2].
Характерной особенностью радиационного поведения БИС является существен-
ная зависимость уровня радиационной стойкости от критериев их работоспособности
в процессе проведения испытаний. Это обусловлено большим числом параметров,
которыми характеризуется любая БИС и, кроме того, широким набором режимов
функционирования в зависимости от условий применения и назначения аппаратуры,
что не позволяет при испытаниях ограничиться некоторыми универсальными для
всех возможных применений режимами. Использование двух и более критериев ра-
диационной стойкости может приводить к немонотонному поведению критического
уровня отказа в зависимости от условий эксперимента, например, от мощности по-
глощенной дозы или от температуры.
На рис. 1.18.16 в качестве примера представлен возможный вариант изменения
критериального значения суммарной поглощенной дозы от мощности дозы ИИ. При
увеличении мощности дозы уровень стойкости по критерию тока потребления /сс бу-
дет возрастать, так как эта величина во многих случаях зависит от накопленного за-
ряда в толстом окисле и от образования ПС. С другой стороны, изменения выходного
тока в состоянии логического ноля /°ВЬ1Х будут зависеть от сдвига порогового на-
пряжения выходного и-МОПТ, уровень стойкости которого уменьшается по мере
увеличения мощности дозы ИИ. Следует обратить внимание на то, что приведенная
зависимость соответствует конкретному случаю, и ее вид в значительной степени
определяется принятыми критериями работоспособности БИС и уровнями функцио-
нальных отказов. Поэтому если выбрать другой критерий для оценки радиационной
стойкости БИС, например, отказы по функционированию, то в этом случае характер
зависимости может иметь совершенно другой
вид. Например, радиационная стойкость будет
уменьшаться при увеличении мощности дозы
ИИ. Поэтому на основании результатов ис-
следований конкретных БИС совершенно не-
правильно делать заключение, что наихудши-
ми условиями облучения являются уровни с
интенсивностью порядка 1 рад-с”1 [1]. Наибо-
лее критичные интенсивности радиационных
воздействий зависят от принятых критериев,
определяющих работоспособность БИС.
Наличие большого количества элементов
внутри БИС приводит к тому, что отказы от-
дельных элементов описываются некоторой
относительно плавной функцией распределе-
ния. На данную функцию отказов оказывают
влияние как случайные факторы (технологи-
Рис. 1.18.16. Возможный вариант
зависимости радиационной стойкости
БИС от мощности дозы ИИ при
использовании нескольких критериев:
1 - ДыХ; 2 - /сс; 3 - суммарная
488
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.18.17. Зависимость числа
отказавших ячеек от времени облучения
и отжига для различных выборок.
Стрелками отмечены моменты
окончания облучения
ческий разброс, стохастическая природа
взаимодействия ИИ с веществом и т. п.), так
и закономерности, присущие данной БИС
(топология отдельного элемента, располо-
жение элемента внутри кристалла и т. п.).
Характерным примером проявления обоих
факторов является зависимость количества
отказавших ячеек памяти от суммарной
дозы ИИ (рис. 1.18.17). Очевидно, что эту
кривую можно объяснить из предположе-
ния, что пороговые напряжения отдельных
МОПТ имеют технологический разброс.
Однако более корректное объяснение по-
добной зависимости исходит из условия,
что уровни отказов отдельных ячеек памяти
зависят от их удаления по разрядной шине
до усилителя записи считывания и по шине
питания до вывода к цепи питания [35].
Следующий фактор, который необходимо учитывать, - это возможность прояв-
ления конкурирующих механизмов, приводящих к отказам внутренних элементов и
узлов БИС. Вследствие этого могут иметь место щелевые эффекты, когда отказы
проявляются только в определенном интервале значений поглощенных доз ИИ.
Более того, такие отказы могут проявляться для разных однотипных выводов БИС.
Очевидно, что наличие подобных эффектов крайне затрудняет экспериментальное
определение уровней радиационной стойкости БИС.
Дополнительным фактором, способствующим различию в поведении БИС при
облучении протонами и/или тяжелыми заряженными частицами, является влияние
на уровни радиационной стойкости микродозиметрических (неравновесных) эффек-
тов [7, 35]. Действительно, при малых площадях транзисторов не исключена ситу-
ация, когда трек от отдельной ядерной частицы перекрывает активную область при-
бора (подзатворный окисел). В настоящее время данные эффекты проявляются в БИС
только при относительно низких уровнях воздействия в подпороговой области тока
стока, и они вызваны неоднородным характером распределения захваченных дырок в
подзатворной области МОПТ.
Очевидно, что при наличии неравновесных эффектов будут доминировать слу-
чайные процессы взаимодействия ИИ с веществом, поэтому оценку уровня стой-
кости БИС можно производить только с некоторой вероятностью. Прогнозирование
стойкости БИС в случае неравновесного энерговыделения основано на введе-
нии количественной меры повреждения гц, для расчета которой необходимо оп-
ределить пороговую энергию отказа элемента Eso, среднюю энергию и ее дис-
персию выделяемую в микрообъеме при прохождении отдельной заряженной
частицы.
Задавая вероятность отказа Ро отдельного элемента БИС, можно оценить умень-
шение уровня стойкости электронной аппаратуры относительно равновесного значе-
ния по величине отношения:
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
489
(1.18.16)
/Сг) -
F
^so
где js - среднее число ядерных частиц, попавших в подзатворный диэлектрик толщи-
ной ДЕ - средние потери энергии ядерной частицы при прохождении подзатворно-
го диэлектрика.
Расчетные оценки свидетельствуют о существенном уменьшении надежности ра-
боты устройств при использовании ИС с площадью канала менее 10 мкм2 [37]. Одна-
ко эти оценки не учитывают процессы рекомбинации электронно-дырочных пар в
начальный момент времени, которые приводят к снижению роли микродозиметри-
ческих эффектов. Более корректный критерий необходимости учета таких эффектов
может быть представлен в виде ограничения на максимальную площадь канала
МОПТ 5кан [36]:
^кан —jms ks (dE/ ^)ион У(^ох) /^пор? (1.18.17)
где jms - число попаданий ТЗЧ в активную область, начиная с которых необходимо
учитывать микродозиметрические эффекты (-100); £)пор - пороговая доза для отказа
элемента БИС; ks - коэффициент пропорциональности, связывающий поглощенную
энергию и дозу. При использовании в качестве диэлектрика SiO2, если энергия выра-
жена в МэВ, а поглощенная доза в рад (БЮг), то ks = 8-10~9 рад-см3-МэВ-1.
Оценки, полученные с помощью приведенного соотношения, свидетельствуют о
том, что при воздействии протонов микродозиметрические эффекты будут прояв-
ляться в элементах, имеющих площадь канала менее 0,1 мкм2. При воздействии ТЗЧ
эти эффекты будут проявляться при существенно больших площадях (1-10 мкм2).
Таким образом, уже в недалеком будущем по мере развития технологии ИС следует
ожидать снижения радиационной стойкости БИС в условиях космического простран-
ства из-за проявления стохастической природы взаимодействия ИИ с веществом.
1.18.5. Расчетно-экспериментальное моделирование деградации
характеристик интегральных схем
Как указывалось выше, поведение приборов в полях стационарных ИИ сущест-
венно зависит от физических параметров воздействия, в частности - мощности дозы,
типа и спектральных характеристик излучения, температуры среды [1]. Реакция ИС
на воздействие ИИ средней интенсивности (10-1000 рад-с'1) может быть установлена
непосредственно с помощью экспериментов на моделирующих установках и имита-
торах при выполнении условий адекватности имитационного воздействия [35]. В
случае воздействия низкоинтенсивного ИИ прямое экспериментальное определение
стойкости изделия либо его компонент невозможно из-за большой продолжительно-
сти и высокой стоимости радиационных испытаний. Одним из подходов к решению
проблемы является применение расчетно-экспериментальных и ускоренных методов
испытаний [9].
Возможная схема метода, реализованного в виде программной расчетной подсис-
темы RADAN-2, представлена на рис. 1.18.18. Расчетным ядром является программа
490
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.18.18. Схема расчетно-экспериментального метода
электрофизического моделирования параметров схем PSPICE. Заданные параметры
внешней обстановки (температура, доза, время) в свою очередь определяют структу-
ру лабораторного эксперимента. В процессе эксперимента измеряется набор ВАХ
прибора при определенных дозах облучения и временах отжига. По ВАХ определя-
ются временные зависимости изменений параметров SPICE-модели активного МОПТ
и параметры модели паразитных структур. В свою очередь, из анализа временных
зависимостей параметров элементов экстрагируются параметры радиационной моде-
ли. Далее вычисляются новые значения параметров моделей элементов и выполняет-
ся окончательный анализ схемы.
Таким образом, основные этапы расчета заключаются в следующем.
1. В процессе лабораторного эксперимента измеряется набор ВАХ тестового при-
бора при различных значениях дозы.
2. По измеренным ВАХ определяются временные зависимости изменений пара-
метров SPICE-моделей активного прибора и паразитной структуры.
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
491
3. Из анализа временных зависимостей параметров элементов экстрагируются па-
раметры радиационной модели.
4. Проводится расчет статического режима работы схемы для определения элект-
рического режима МОПТ. В процессе облучения реальных ИС значительная часть их
элементов находится в динамическом электрическом режиме. С другой стороны, в
ряде случаев именно облучаемые в статическом режиме элементы и определяют ра-
диационное поведение устройства. Соответственно, при расчетно-эксперименталь-
ном прогнозировании радиационного поведения узлов КМОП-схем в явном виде за-
дается тип режима при пересчете параметров модели.
5. На базе радиационной модели МОПТ для заданных характеристик воздействия
(дозы и мощности дозы) вычисляются новые значения параметров SPICE-моделей
элементов в зависимости от электрического режима их функционирования.
6. В схему включаются элементы (резисторы или МОПТ), эмулирующие деграда-
цию паразитных w-МОПТ. Их номиналы определяются в соответствии с предложен-
ной в работе моделью.
7. Выполняется окончательный анализ схемы.
На рис. 1.18.19 показаны расчетные зависимости дозы отказа шеститранзисторно-
го элемента памяти статических ЗУ от мощности дозы ИИ.
Рис. 1.18.19. Расчетные зависимости дозы отказа от мощности дозы ИИ (а) при различных
температурах ЗО°С (1) и 80°С (2) шеститранзисторного элемента памяти (б)
ЛИТЕРАТУРА
1. Ionizing radiation effects in MOS devices & circuits. Ed. by Ma T.P. and Dressendorfer P.V. John Wiley and
Sons, 1989.
2. Lacoe R. CMOS scaling, design principles and hardening-by-design methodologies. 2003 IEEE NSREC.
Short Course. Radiation effects in advanced commercial technologies: How design scaling has affected the se-
lection of specebome electronics. July 2003, 2003 Monteray, California, pp. II-1-II-142.
3. Ausman G.A., McLean F.B. Electron-hole pair creation energy in SiO2. Appl. Phys. Lett., 1975, No 26,
p. 173.
4. Benedetto J.M., Boesch H.E. The relationship between 60Co and 10 keV X-ray damage in MOS devices. IEEE
Trans. Nucl. Sci., 1986, NS-33, p. 1318.
492 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
5. Boesch Н.Е., McGarrity J.M. Charge yield and dose effects in MOS capacitors at 80 K. IEEE Trans. Nucl.
Sci., 1976, NS-23, p. 1520.
6. Oldham T.R., McGarrity J.M. Comparison of 60Co response and 10 keV X-ray response in MOS capacitors.
IEEE Trans. Nucl. Sci., 1983, NS-30, p. 4377.
7. Чумаков А.И. Действие космической радиации на ИС. М.: Радио и связь, 320 с.
8. Huges R.C. Charge-carrier transport in transport phenomena in amorphous SiO2: Direct measurement of the
drift mobility and lifetime. Phys. Rev. Lett., 1973, No 30, p. 1333.
9. Согоян A.B., Никифоров А.Ю., Чумаков А.И. Подход к прогнозированию радиационной деградации
параметров КМОП ИС с учетом сроков и условий эксплуатации. Микроэлектроника, 1999, №4, т. 28,
с. 263-275.
10. Першенков В.С., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в ИМС. М.: Энер-
гоатомиздат, 1988.
11. Беляков В.В., Першенков В.С., Зебрев Г.Н., Согоян А.В., Чумаков А.И., Никифоров А.Ю., Скоробога-
тов П.К. Методы прогнозирования эффектов полной дозы в элементах современной микроэлектрони-
ки. Микроэлектроника, 2003, т. 32, № 1, с. 31-46.
12. Lai S.K. Interface trap generation in silicon dioxide when electrons are captured by trapped holes. J. Appl.
Phys., 1983, No 54, p. 2540.
13. McGarrity J.M., Winokur P.S., Boesch H.E., McLean F.B. Interface states resulting from a hole flux incident
on the SiO2/Si interface. In: The physics of SiO2 and its interfaces. Ed. Pantelides S.T. Pergamon Press, Elms-
ford, NY, 1978, p. 428.
14. MrstikB.J., Rendell R.W. Model for Si—SiO2 interface state formation during irradiation and during post-
irradiation exposure to hydrogen environment. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1991, v. 38, p. 1101.
15. Oldham T.R., McLean F.B., Boesch H.E., McGarrity J.M. An overview of radiation-induced interface traps in
MOS structures. Semicond. Sci. Tech., 1989, No 4, p. 986.
16. SaksN.S., Dozier C.M., Brown D.B. Time dependence of interface trap formation in MOSFETS following
pulsed irradiation. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1988, p. 1168.
17. Belyakov V.V., Chumakov A.I., Nikiforov A.Y., Pershenkov V.S., Skorobogatov P.K., Sogoyan A.V. IC’s
radiation effects modeling and estimation. Microelectronics Reliability, 2000, v. 40, No 12, pp. 1997-2018.
18. Emelianov V.V., Sogoyan A.V., Cherepko S.V., Meshurov O.V., UlimovV.N., Chumakov A.I., Rogov V.I.,
Nikiforov A.Y. Thermal and field dependencies of latent relaxation processes in irradiated MOS devices.
RADECS European Conference Abstracts, 1997, A16-A19.
19. Sexton F.W., Schwank J.R. Correlation of radiation effects in transistors and integrated circuits. IEEE Trans.
Nucl. Sci., 1985, v. NS-37, p. 3975.
20. Oldham T.R. How device scaling affects aingle event effects sensitivity. 2003 IEEE NSREC. Short Course.
Radiation effects in advanced commercial technologies: how design scaling has affected the selection of spe-
cebome electronics, July 2003. 2003 Monteray, California, pp. IV-l-IV-66.
21. Baumann R.C. Silicon amnesia - terrestrial effects. RADECS 2001 short course. Earth and Space Single-
Events. Grenoble, 2001, pp. I-1-III-54
22. Emily D.W. Total dose response of bipolar microcircuits. 1996 IEEE NSREC IEEE Nuclear and Space Radia-
tion Conference. Short Course. Radiation Effects Challenges for 21st Century Space Systems. Renaissance
Esmeralda Resort Indian Wells, California, 1996, pp. III-1-III-78.
23. Fleetwood D.M., Winokur P.S., Riewe L.C. Predicting switched-bias response from steady-state irradiations.
IEEE Trans. Nucl. Sci., 1990, v. 37, p. 1806.
24. Fleetwood D. A first-principles approach to total-dose hardness assurance. 1995 IEEE NSREC IEEE Nuclear
and Space Radiation Conference. Short Course. Advanced Qualification Techniques; a Practical Guide for
Radiation Testing of Electronics. Madison, Winconsin, 1995, pp. III-1-III-69.
25. Fleetwood D.M., Dressendorfer P.V., Turpin D.C. A reevaluation of worst-case postirradiation response for
hardened MOS transistors. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1987, v. 34, p. 1178.
26. Shvetzov-Shilovsky I.N., Belyakov V.V., Cherepko S.V., Chumakov A.I., Emelyanov V.V., Pershenkov V.S.,
Popov M.Y., Zebrev G.I. The use of conversion model for CMOS IC prediction in space environments. IEEE
Trans, on Nucl. Sci., 1996, v. NS-43, No 6, pp. 3182-3188.
27. Саломатин H.M. Логические элементы ЭВМ. M.: Высшая школа, 1990, 160 с.
ГЛАВА 1.18 ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
493
28. Nowlin R.N., Fleetwood D.M., Schrimpf R.D., Pease R.L., Combs W.E. Hardness assurance and testing is-
sues for bipolar/BiCMOS devices. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1993, v. 40, p. 1686.
29. Johnston A.H., Swift G.M, Rax B.G. Total dose effects in conventional bipolar transistors and linear inte-
grated circuits. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1994, NS-41, p. 2427.
30. Titus J.L., Combs W.E., Turflinger T., Krieg J.F., Tausch H.J., Brown D.B., Pease R.L., Campbell A.B. First
observations of enhanced low dose rate sensitivity (ELDRS) in space. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1998, v. 45,
p. 2673.
31. Titus J.L., Emily D., Krieg J.F., Turflinger T., Pease R.L., Campbell A. Enhanced low dose rate sensitivity
(ELDRS) of linear circuits in a space Environment. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1999, v. 46, p. 1608.
32. Pershenkov V.S., Maslov V.B., Cherepko S.V., Shvetzov-Shilovsky I.N., Belyakov V.V., Sogoyan A.V., Ru-
sanovsky V.I., Ulimov V.N., Emelianov V.V., Nasibullin V.S. The effect of emitter junction bias on the low-
dose-rate radiation response of bipolar devices. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1997, v. 44, p. 1840.
33. Zebrev G.I., Pavlov D.Y., Pershenkov V.S., Nikiforov A.Y., Sogoyan A.V. et al. Radiation response of bipo-
lar transistorsat various irradiation temperatures and electric biases: modeling and experiment. IEEE Trans, on
Nuclear Science, 2006, v. 53, No 4, pp. 1981-1987.
34. Агаханян T.M., Аствацатурьян E.P., Скоробогатов П.К., Чумаков А.И. Физические ограничения на
стойкость биполярных полупроводниковых структур в ИМС повышенной степени интеграции к дес-
табилизирующим воздействиям. Микроэлектроника, 1984, т. 13, № 5, с. 392-400.
35. Аствацатурьян Е.Р., Беляев В.А., Зайцев В.Л. Остаточные радиационные эффекты в цифровых БИС.
Зарубежная электронная техника, 1986, вып. 2 (297), с. 62-99.
36. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты в КМОП интегральных схемах.
М.: Радио и связь, 1994, 180 с.
37. Агаханян Т.М., Аствацатурьян Е.Р., Чумаков А.И. Особенности использования БИС и сверхБИС в ап-
паратуре ядерного физического эксперимента. В кн.: Электронные приборы и схемы для эксперимен-
тальной физики. Под ред. Агаханяна Т.М. М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 3-9.
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
ОТ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
Чумаков А.И.
ОАО «ЭНПО СПЭЛС»
Список сокращений
БИС большая интегральная схема ОЗУ оперативное запоминающее устройство
ДОЗУ динамическое ОЗУ ОС одиночный сбой
ИИ ионизирующее излучение ОЯЧ отдельная ядерная частица
ИС интегральная схема ПВА первично-выбитый атом
КМОП комплементарные МОП-структуры СБИС сверхбольшая интегральная схема
ЛПЭ линейные потери энергии ТЗЧ тяжелая заряженная частица
ВВЕДЕНИЕ
Эффекты от отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) (локальные радиационные эффек-
ты} активно исследуются в течение последних 30 лет применительно к воздействиям
заряженных частиц естественного происхождения - альфа-частиц естественной ра-
диоактивности конструкционных материалов изделий микроэлектроники, протонов и
ионов космического происхождения [1-10]. За последнее время в России и за рубе-
жом достигнуты определенные успехи в моделировании этих эффектов. Актуаль-
ность этой проблемы обусловлена тем, что в современной электронной аппаратуре
космических аппаратов все более широкое применение находят интегральные схемы
(ИС) повышенной степени интеграции. В данном разделе кратко изложены основные
радиационные эффекты в ИС, возникающие от воздействия ОЯЧ.
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОЯЧ
495
1.19.1. Основные физические механизмы образования локальных
радиационных эффектов
1.19.1.1. Классификация локальных радиационных эффектов
Радиационные эффекты от ОЯЧ (локальные радиационные эффекты) возникают в
ИС вследствие больших локальных ионизационных или структурных потерь энергии
в чувствительных объемах элементов ИС от первичных или вторичных ОЯЧ. Подоб-
ные эффекты приводят к сбоям или отказам электронной аппаратуры в условиях воз-
действия ядерных частиц высоких энергий, в первую очередь, от высокоэнергетич-
ных частиц космического пространства [1-10]. Так как эти эффекты обусловлены
большим выделением энергии в локальном микрообъеме чувствительного элемента,
то их анализ осуществляется на основе аппарата микродозиметрии [11-13], который
используется для анализа процессов энерговыделения от ОЯЧ в микрообъеме. Оче-
видно, что в этом случае существенную роль играют процессы стохастической при-
роды взаимодействия ИИ с веществом. На характер ионизационной реакции ИС бу-
дут оказывать влияние линейные потери энергии (ЛПЭ) ядерной частицы, флуктуа-
ции энерговыделения от ОЯЧ, геометрические факторы (расположение трека
ядерной частицы внутри микрообъема) и т. п.
В настоящее время в современных ИС высокой степени интеграции эксперимен-
тально наблюдаются сбои и отказы, происходящие под действием высокоэнергетич-
ных ОЯЧ. При выделении одной частицей значительной энергии в активном микро-
объеме элемента ИС могут проявляться следующие основные эффекты [4-8]
(табл. 1.19.1):
• ложные срабатывания (одиночные сбои - ОС) триггеров, регистров и ячеек
памяти;
• многократные сбои из-за образования ОС в нескольких соседних ячейках па-
мяти;
• кратковременные импульсные сигналы («иголки») на выходах аналоговых и
цифровых ИС;
• тиристорный эффект (ТЭ) в четырехслойной паразитной структуре («защелки-
вание» - latchup), в основном, в КМОП ИС;
• вторичный пробой р-п переходов, в особенности для приборов, работающих в
предпробойной области;
• долговременные проводящие каналы за счет тепловых эффектов в изолирую-
щих структурах («проколы»), в частности, локальное разрушение области в
подзатворном диэлектрике;
• шунтирование многослойных структур (проводящий канал эмиттер-коллектор
в биполярных структурах) и ряд других.
Наиболее чувствительными элементами являются ИС повышенной степени инте-
грации. Объемные ионизационные эффекты от ОЯЧ вызывают как сбои аппаратуры,
так и ее отказы. Как правило, стойкость к этим эффектам анализируют применитель-
но к воздействиям высокоэнергетичных протонов и тяжелых заряженных частиц
(ТЧЗ) космического пространства и нейтронов в верхних слоях атмосферы. Показа-
тель радиационной стойкости ИС к этим эффектам характеризуется частотой (веро-
496
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Таблица 1.19.1
Виды локальных радиационных эффектов от ОЯЧ
Эффект Обозначение Описание
Одиночный сбой SEU инверсия логического состояния ячейки памяти или триггера
Многократные сбои MBU инверсия логического состояния нескольких соседних ячеек памяти или триггеров
Одиночное функциональное прерывание SEFI инверсия логического состояния ячейки памяти или триггера управления, приводящая к нарушению хода выполнения программы
Кратковременный одиночный сбой SED кратковременное изменение информации в ячейке памяти
«Иголка» SET кратковременный импульс на выходе элемента ИС
Шунтирование SESH образование сквозного проводящего канала в многослойных структурах
Защелкивание SEL включение паразитной четырехслойной PNPN структуры, приводящее к резкому увеличению тока в цепи питания
Вторичный пробой SEB вторичный пробой р-п перехода, приводящий к его разрушению
«Снэпбэк» SES включение биполярного NPN транзистора в режим лавинного умножения
«Прокол» диэлектрика SEGR пробой подзатворного диэлектрика вдоль трека ядерной частицы
«Залипание» бита SEFB отказ ячейки памяти из-за деградации характеристик, обусловленных поверхностными эффектами
Одиночный отказ SEHE катастрофический отказ элемента из-за сильной локальной деградации отдельного элемента СБИС
«Спайк» SPIKE отказ отдельного пикселя ПЗС-структуры за счет локального возрастания тока утечки, обусловленного вводом радиационных дефектов
ятностью) его возникновения при заданной плотности потока ядерных частиц. При
оценках радиационной стойкости используют несколько параметров чувствительно-
сти ИС при возникновении локальных радиационных эффектов. К наиболее важным
параметрам относятся порог возникновения эффекта и сечение насыщения эффекта,
приведенное либо на 1 бит хранимой информации, либо на всю ИС в целом.
Наиболее вероятными событиями являются одиночные сбои (single event upsets -
SEU), которые связаны с переключением отдельных триггеров и ячеек памяти в циф-
ровых ИС. ОС возникает, если ионизационные потери энергии от ОЯЧ в чувстви-
тельном объеме были достаточны для генерации заряда, вызывающего ложное пере-
ключение логического элемента. Так как вероятность одновременного попадания
двух ядерных частиц КП в один и тот же элемент крайне низка, то для расчета веро-
ятности появления сбоя в отдельном /-ом элементе можно рассматривать процессы
выделения энергии в микрообъеме независимо от других событий. Для большинства
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОЯЧ
497
современных больших интегральных схем (БИС), выполненных по объемной техно-
логии, пороговые значения ЛПЭ лежат в пределах 2-20 МэВ-см2-мг-1 при воздейст-
вии ионов и 15-20 МэВ-см2-мг-1 при воздействии протонов, а сечение насыщения
1-100 мкм2 на бит при воздействии ионов и 10"14-10"12 см2 на бит при воздействии
протонов и нейтронов.
Если ячейка памяти «почти» переключилась кратковременно в другое логическое
состояние, то можно говорить о кратковременном ОС. Суть этого эффекта заключа-
ется в том, что имеется временной интервал /Sed, в течение которого считываемая
информация из ячейки памяти будет воспринята как ошибочная (рис. 1.19.1). В те-
чение этого интервала формируется ионизационная реакция, поэтому имеется неоп-
ределенность в логическом состоянии ячейки памяти. Полного переключения не про-
исходит, так как энергия, выделенная от ядерной частицы, недостаточна для полного
переключения ячейки памяти. По истечении переходного процесса ячейка памяти
вернется в свое исходное состояние.
Изменение логической информации в регистрах команд, программном счетчике,
регистрах управления и т. п. может приводить к более тяжелым последствиям. На-
пример, сбой программного счетчика приведет к тому, что по «новому» адресу мо-
жет находиться некорректная информация, которая при обработке устройством
управления вызовет «зависание» процессора. В ряде случаев выход цифрового
устройства их этого состояния программным способом даже с использованием сиг-
налов прерывания оказывается невозможным. Такие сбои называют одиночными
функциональными прерываниями. Иногда их выделяют в отдельную группу и назы-
вают неалгоритмическими одиночными сбоями и/или сбоями, не обрабатываемыми
по сигналам прерываний (non-interrupt).
Другие кратковременные сбои (single event transient - SET) («иголки» на выходах
комбинационных ИС, кратковременные импульсы на выходе аналоговых схем и т. п.)
имеют несколько меньшую вероятность возникновения. Наиболее часто их анализи-
руют применительно к цифровым комбинационным ИС, операционным усилителям,
вторичным источникам питания, цифро-аналоговым преобразователям и ряду других
ИС, изготовленных с использованием БИС-технологии. Характеристики импульса
зависят от быстродействия ИС. Например,
для комбинационных ИС амплитуда сигнала и
не превышает логического перепада, а дли-
тельность равна среднему времени распро-
странения сигнала через отдельный элемент.
В операционных усилителях амплитуда сиг-
нала, как правило, не превышает несколь-
ких десятков мВ с длительностью импульса
менее 1 мкс. Аналогичные переходные им-
пульсы имеют место в оптронах. В частности,
в оптроне HCPL-5401 при воздействии про-
тонов с энергией 63 МэВ на выходе появля-
ются импульсы ТТЛ уровня с длительностью
20-25 нс. Сечение этих эффектов 4,2-10"8 см2 Рис. , 19 L формирование
на канал [14]. кратковременного ОС
498 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Иногда из этого класса сбоев выделяют отельную группу, обусловленную воз-
никновением переходной ионизационной реакции из-за шунтирования треком (изо-
лированных) многослойных структур. Образование сквозного канала между, напри-
мер, эмиттером и коллектором приводит к кратковременной потере управления то-
ком коллектора по цепи базы.
Отказы ИС от воздействия отдельных высокоэнергетичных протонов и ионов оп-
ределяются эффектами защелкивания, вторичного пробоя, «прокола» тонких подзат-
ворных диэлектриков.
Наиболее важным и вероятным является эффект защелкивания (single event
latchup - SEL), проявляющийся через потерю работоспособности в основном КМОП
ИС и резкое увеличение тока потребления по цепи питания. В этом случае КМОП ИС
включается подобно тиристору (паразитная PNPN структура) по выводам «питание»-
«земля». Работоспособность может быть восстановлена, если сразу же после возник-
новения защелкивания кратковременно снять питание на КМОП ИС. В противном
случае может «выгореть» эта ИС или источник питания. Относительно редко ТЭ мо-
жет иметь место в биполярных ИС.
Вторичный пробой от воздействия ОЯЧ (single event burnout - SEB) возникает в
мощных МОП-транзисторах или биполярных NPN транзисторах тогда, когда за счет
локальной ионизации внутри обедненной области р-п перехода инициируется лавин-
ный пробой между /7-эпитаксиальным слоем и и+-подложкой транзистора. Как прави-
ло, этот эффект возникает в транзисторах с вертикальным каналом и относительно
большими рабочими напряжениями (более 30 В).
В ряде случаев выделяют отдельно эффект включения биполярного NPN транзис-
тора в режим лавинного умножения, в результате чего возникает большой сквозной
ток. Внешне этот эффект очень похож на ТЭ. В зарубежной литературе его называют
snapback [1].
«Прокол» подзатворного тонкого диэлектрика (single event gate rapture - SEGR)
при прохождении через него ТЧЗ обусловлен пробоем диэлектрика из-за повышения
напряженности электрического поля в окисле. ТЧЗ сильно ионизирует узкую «труб-
ку» внутри подзатворной области, по которой протекает значительной ток. Происхо-
дит локальный пробой диэлектрика, повышение температуры и образование относи-
тельно узкой «закоротки» между затвором и каналом.
Последние два эффекта, как правило, характерны для относительно мощных вы-
соковольтных приборов, и для стандартной элементной базы их можно не учитывать.
Потенциально опасными являются микросхемы флэш-памяти в режиме стирания или
записи информации, когда действует большое электрическое поле внутри окисла.
В последнее время значительный интерес также представляют эффекты одиноч-
ных отказов отдельных элементов сверхбольших интегральных схем (СБИС), так
называемые «single event hard error». Эти эффекты обусловлены сильной локальной
радиационной деградацией отдельных элементов, приводящей к потере их функцио-
нирования. Например, для СБИС ОЗУ проявляется эффект «залипания» ячейки памя-
ти в одно устойчивое логическое состояние, если локальная деградация обусловлена
поверхностными радиационными эффектами. В ПЗС-структурах из-за сильного ло-
кального возрастания тока утечки происходит потеря одного или нескольких пиксе-
лей информации, которые проявляются в виде темных точек, спайков (spike).
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОЯЧ
499
1.19.1.2. Механизмы возникновения локальных радиационных эффектов
Локальные ионизационные эффекты возникают из-за генерации относительно
большого заряда в чувствительной области отдельного полупроводникового элемен-
та. Так, при прохождении ТЗЧ с величиной ЛПЭ, равной 10 МэВ-см^мг"1, в чувстви-
тельном микрообъеме с размерами в несколько мкм выделяется локальный заряд
около 1 пКл.
Традиционно анализ локальных радиационных эффектов базируется на зарядовых
моделях, т. е. возникновение эффектов от ОЯЧ возможно, если генерированный от-
дельной частицей заряд (энергия) в эффективном объеме элемента ИС превышает
некоторую критическую величину AQK?. Различают два механизма генерации избы-
точного заряда: за счет первичных ионизационных потерь и потерь энергии вторич-
ными ядерными частицами - продуктами ядерных реакций или первично-выбитого
атома (ПВА) (рис. 1.19.2).
При генерации локального заряда за счет первичных ионизационных потерь
(рис. 1.19.2, трек 1) можно считать, что ЛПЭ не зависят от глубины проникновения
ядерной частицы, а суммарный гене-
рированный заряд есть произведение
ЛПЭ на хорду (отрезок пути заряжен-
ной частицы внутри чувствительного
объема). Поэтому даже при однона-
правленном потоке ОЯЧ с одинако-
выми значениями ЛПЭ величина ге-
нерированного заряда будет разной
из-за различия в длинах хорд внутри
чувствительного объема.
В случае генерации локального за-
ряда вторичной ядерной частицей
необходимо выделить легкую и тяже-
лую ядерную частицы - продукты
Рис. 1.19.2. Характерные процессы генерации
избыточного заряда в чувствительном объеме
элемента ИС от ОЯЧ
ядерного рассеяния. Относительно тяжелая вторичная ядерная частица (ПВА или
тяжелая ядерная частица - продукт ядерной реакции), как правило, полностью теряет
свою энергию в чувствительном объеме (рис. 1.19.2, трек 2) или рядом с ним. Легкая
частица покидает чувствительный объем, и заряд генерируется за счет ЛПЭ, которые
можно считать постоянными в пределах чувствительного объема.
В случае возникновения локальных радиационных эффектов за счет первичных
ионизационных потерь критерий возникновения эффекта может быть записан в сле-
дующем виде:
qLэкв (dE / <Ух)„0Н/ £, > ~ А^/ПОМСЭКВ,
(1.19.1)
где Лэкв - величина эквивалентной длины собирания носителей заряда в активном
объеме элемента ИС; 8/ - энергия образования одной электронно-дырочной пары в
материале активного объема; Д£/пом - помехоустойчивость элемента по анализируе-
мому эффекту; Сэкв - величина эквивалентной емкости элемента ИС с учетом его на-
гружения.
500
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Из соотношения (1.19.1) следует, что в общем случае условие возникновения эф-
фекта зависит как от физико-топологических параметров ИС (Лэкв, 8/, Д£/пом и Сэкв),
так и от характеристик ядерной частицы - (dE/бД)И0Н и Лэкв. Очевидно, что по мере
увеличения степени интеграции ИС эффекты будут наблюдаться при меньших вели-
чинах ЛПЭ ядерных частиц, т. е. микросхемы повышенной степени интеграции име-
ют более высокую чувствительность к воздействию ОЯЧ. Это обусловлено тем, что
заряд переключения в первом приближении пропорционален площади отдельного
элемента, а генерированный ОЯЧ заряд - линейным размерам. На самом деле зави-
симость имеет более сложный характер, так как при достижении определенных раз-
меров величина эквивалентной емкости будет определяться периметром элемента,
т. е. будет также пропорциональна линейным размерам.
Большое значение при моделировании эффектов от ОЯЧ имеет корректная оценка
эффективной длины собирания. Во многих случаях величина Лэкв определяется толь-
ко геометрическими характеристиками активного объема элемента ИС. Например,
это имеет место при проявлении одиночных сбоев в КНС или КНИ ИС, а также при
возникновении эффекта защелкивания в эпитаксиальных КМОП ИС. В этом случае
величина Лэкв равна длине хорды трека, проходящего через активный объем. В эле-
ментах объемных ИС происходит собирание заряда не только из активного объема,
но и с прилегающих к нему областей. Эта величина определяется соотношениями
между постоянными времени собирания заряда и быстродействием элемента. Для
быстродействующих ИС эффективная длина определяется дрейфовыми процессами
собирания заряда с трека ядерной частицы и зависит от глубины проникновения
электрического поля в подложку (funneling) с типичной величиной порядка 5 мкм. В
случае относительно инерционных процессов переключения элементов ИС, напри-
мер, при включении паразитной четырехслойной структуры, величина собранного
заряда определяется диффузионно-дрейфовыми процессами.
В ряде элементов БИС, несмотря на относительно малую величину Лэкв, величина
собранного заряда оказывается существенно большей, чем следует из соотношения
(1.19.1). Происходит это за счет эффектов усиления первичного заряда, в частности,
за счет усилительных свойств паразитных биполярных транзисторов. Наиболее ярко
эффект усиления величины генерированного ОЯЧ заряда имеет место в КНИ ИС
(технология «кремний на изоляторе»), в которых имеются паразитные биполярные
транзисторы с оборванной базой.
Помимо образования Д{?кр за счет первичных ионизационных потерь ядерных
частиц, генерация заряда возможна и за счет вторичных частиц', первично смещен-
ных атомов отдачи или вторичных частиц - продуктов ядерных реакций. При этом
основной вклад в возникновение локальных ионизационных эффектов дают тяжелые
вторичные частицы, появляющиеся в результате ядерных реакций, например, от про-
тонов или нейтронов.
Подход при моделировании сбоев от вторичных частиц - продуктов ядерных ре-
акций -должен принимать во внимание следующие факторы:
• в результате ядерной реакции может образоваться несколько ядерных частиц,
каждая из которых способна вызвать локальный радиационный эффект;
• пробеги вторичных частиц в веществе сильно варьируются и могут быть мень-
ше, сравнимы или больше линейных размеров элементов ИС;
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОЯЧ
501
• генерация заряда возможна частицами, образующимися как внутри элемента,
так и вне его.
Для вторично ионизирующих частиц необходимо учитывать возможность образо-
вания нескольких ядерных частиц. Ряд этих частиц могут иметь очень короткие про-
беги. Условие возникновения эффекта от ОЯЧ в этом случае лучше представить в
несколько ином виде [6]:
^^./£,.>декр, (1.19.2)
j
где kj - коэффициенты собирания заряда от j-ой вторичной частицы с энергией Ej.
Коэффициент собирания заряда определяется из соотношения между размером об-
ласти собирания (например, глубиной «кармана» КМОП-элемента) и пробегом час-
тицы или эффективной длиной собирания заряда с трека этой частицы. Для относи-
тельно тяжелых вторичных ядерных частиц, если ее энергия не выше 5 МэВ, можно
полагать kj » 1.
1.19.1.3. Ионизационная реакция от ОЯЧ
В общем случае ионизационная реакция элемента ИС определяется процессами
собирания заряда р-п переходом с трека ОЯЧ, которые определяются дрейфовыми и
диффузионными процессами. Как правило, импульс ионизационного тока при гене-
рации локального заряда разделяется на две характерные составляющие (рис. 1.19.3).
Первая, с короткой длительностью, но с отно-
сительно большой амплитудой, формируется
за счет дрейфовых процессов собирания заря-
да с трека ОЯЧ. Амплитуда и длительность
импульса тока зависят от ЛПЭ заряженной
частицы, приложенного к переходу напряже-
ния, удельной проводимости базовой области
и т. п. Диффузионная компонента имеет су-
щественно меньшую амплитуду (на порядок и
ниже), но длительность ионизационной реак-
ции может превышать десятки и сотни нано-
секунд.
Так как во многих случаях быстродейст-
вие отдельных элементов ИС составляет еди-
ницы наносекунд, то в первом приближении
ионизационная реакция &U(t) определяется
Рис. 1.19.3. Характерная форма
импульса ионизационного тока
дрейфовыми процессами собирания заряда. За счет интегрирования очень короткого
импульса ионизационного тока реакция на выходе отдельного элемента Д[/(/) при-
ближенно может быть представлена в следующем виде:
At/(/)«(Д£/Сэкв)ехр(-//тэ), (1.19.3)
где &Q - заряд от ОЯЧ, выделенной в чувствительной области прибора (размеры чув-
ствительной области определяются глубиной проникновения электрического поля);
Сэкв - эффективная внутренняя емкость элемента; t - текущее время; тэ - время, ха-
502
ФИЗИЧЕСКИЕПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАСОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
рактеризующее быстродействие отдельного элемента. При характерных параметрах
элементов БИС (Сэкв ~ 0,03-0,5 пФ, тэ ~ 1 нс) и заряде Д0 = 1 пКл амплитуда иониза-
ционной реакции может составлять несколько вольт. Очевидно, что подобные элек-
трические импульсы могут приводить к появлению ложных информационных сигна-
лов, в том числе, переключать отдельные логические схемы. Следует отметить, что у
выходных каскадов СБИС величина емкости относительно высокая, поэтому в этих
каскадах не наблюдается заметная ионизационная реакция от ОЯЧ. Вместе с тем на
выходе она может появиться в том случае, если внутренние каскады ИС сформиро-
вали ошибочный внутренний логический сигнал. Дрейфовые процессы собирания
носителей заряда в основном определяют порог чувствительности элементов СБИС
по локальным радиационным эффектам.
Диффузионные процессы собирания носителей имеют существенно большую
продолжительность которую в первом приближении можно оценить, исходя из
размеров, занимаемых чувствительной областью:
Т^Ь2ЮЛ (1.19.4)
где L - характерный размер элемента; Dd - коэффициент диффузии неосновных
носителей заряда. Для большинства современных элементов величина L около 1 мкм
и, следовательно, длительность импульса тока по порядку составляет доли нано-
секунд.
Если дрейфовые процессы доминирует в предпороговой области возникновения
локальных радиационных эффектов, то диффузионные процессы определяют выход
зависимости сечений эффектов на насыщение при изменении энергии, а следова-
тельно, и ЛПЭ первичных ядерных частиц.
1.19.2. Оценка показателей стойкости интегральных схем
при возникновении локальных радиационных эффектов
1.19.2.1. Параметры чувствительности и показатели стойкости СБИС
Значения частоты и вероятности возникновения локальных радиационных эф-
фектов в ИС характеризуют ее стойкость к воздействию ОЯЧ, другими словами,
являются показателями стойкости ИС.
Частота возникновения локальных радиационных эффектов в ИС V/ - это коли-
чество сбоев ИС в единицу времени, а вероятность Pi - вероятность возникновения
хотя бы одного локального радиационного эффекта в ИС при заданном потоке ОЯЧ.
В общем случае эти показатели связаны между собой через соотношение:
Pz= 1 - exp(-vz/), (1.19.5)
где t - текущее время. Учитывая малые значения V/, на практике используют линей-
ную связь между вероятностью и частотой возникновения сбоев.
При оценках показателей радиационной стойкости используют несколько па-
раметров чувствительности ИС при возникновении локальных радиационных эф-
фектов. К наиболее важным параметрам относятся порог возникновения и сечение
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОЯЧ
503
насыщения эффекта, приведенное либо на 1 бит хранимой информации, либо на
всю ИС в целом.
Сечение локального радиационного эффекта в ИС от ОЯЧ оценивается через от-
ношение общего количества эффектов ИС к флюенсу ядерных частиц. При относи-
тельно больших значениях ЛПЭ/энергии ОЯЧ сечение остается практически посто-
янной величиной. Это значение определяют как сечение насыщения
Пороговые значения энергий или ЛПЭ используются только при оценке локаль-
ных эффектов при воздействии протонов или ТЗЧ. В случае нейтронов локаль-
ные радиационные эффекты могут иметь место даже при воздействии тепловых
нейтронов.
Пороговая энергия протонов Epq определяется как значение энергии протона,
начиная с которой наблюдаются эффекты в ИС. В силу порогового характера про-
текания ядерных реакций для кремниевых ИС пороговая энергия протонов больше
15 МэВ.
Пороговые линейные потери энергии иона в веществе LETq - это линейные по-
тери энергии иона, начиная с которых наблюдается появление локальных радиаци-
онных эффектов в ИС.
Пороговые значения ЛПЭ/энергий ОЯЧ и сечения эффектов являются парамет-
рами чувствительности, которые определяются экспериментально. Именно на осно-
вании зависимостей сечений локальных радиационных эффектов от ЛПЭ/энергии
ОЯЧ производится оценка показателей радиационной стойкости. Однако, как будет
показано ниже, для корректной оценки показателей стойкости требуется учет угло-
вых зависимостей параметров чувствительности, которые могут быть получены, если
известна чувствительная область элемента ИС. Поэтому в ряде моделей прогнозиро-
вания используются физические параметры чувствительности - пороговое энерговы-
деление для возникновения эффекта и размеры чувствительной области.
Пороговое энерговыделение Eq (пороговый заряд Д0О) возникновения локально-
го радиационного эффекта в ИС определяется как энергия (заряд), выделенная пер-
вичной или вторичными ядерными частицами в чувствительной области элемента
ИС, начиная с которой наблюдается появление эффекта.
В свою очередь чувствительную область определяют областью ИС, внутри кото-
рой потери энергии выше Eq приводят к локальному радиационному эффекту. Важ-
ной характеристикой является эффективный объем чувствительной области элемен-
та ИС, т. е. объем чувствительной области ИС, в пределах которого происходит со-
бирание неравновесного заряда. Большинство методов оценок показателей стойкости
ИС базируется на использовании модели в виде прямоугольного параллелепипеда с
размерами ay х by х dy, или цилиндрической области радиуса г у и глубиной dv.
Представляет интерес определение связи между стандартными и физическими
параметрами чувствительности. В первом приближении можно считать:
LETq « EqIdy,
Яро « 2,9 (Eq + 0,69),
« ay x by,
(1.19.6)
os p ® n Nо ay x byx dyp,
504 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
где <3SZ, о5р - сечения насыщения при воздействии ТЗЧ и протонов; dyp - толщина
чувствительной области при воздействии протонов, которая в общем случае не равна
dv (типовое значение dVp~ 1 мкм); opw - сечение ядерных реакций при воздействии
протонов в веществе; Nq - концентрация атомов.
1.19.2.2. Вероятность возникновения локальных радиационных эффектов
При моделировании локальных радиационных эффектов рассматривают две ти-
пичные ситуации. В первом случае анализируются частицы, которые способны вы-
зывать сбои за счет первичных ионизационных потерь - ионы, начиная с ионов ге-
лия. Ядерные частицы, вызывающие локальные эффекты из-за ионизации вторичны-
ми частицами, требуют рассмотрения другого класса моделей. К данной группе
относится большинство относительно легких ОЯЧ, например: протонов, электронов,
гамма-квантов и нейтронов.
Локальные радиационные эффекты обусловлены потерями энергии ОЯЧ и возни-
кают в случае, если выделенная в чувствительном объеме элемента ИС энергия пре-
вышает пороговую для данного элемента величину Eq. Оценка вероятности появле-
ния эффекта в отдельном z-ом элементе, как следует из микродозиметрического
рассмотрения [15], может быть произведена из соотношения:
= 1 - exp
+
т 1 гЕ
«£$>* \''fSE}dE
к j
(1.19.7)
где Ф - флюенс ядерных частиц; Ve, Se - объем и поверхность чувствительного эле-
мента; f (Е) - плотность первичных ионизационных потерь ядерной частицы в чувст-
вительном микрообъеме; fj(E) - плотность ионизационных потерь вторичных ядер-
ных частиц - продуктов ядерных реакций, ПВА; Eq, Ejq - пороговые энергии пере-
ключения элемента для первичных и вторичных ядерных частиц (в большинстве
случаев Eq » Ejq); Ет, Ejm - максимальные энергии первичной и вторичной ядерной
частицы; т - количество механизмов образования вторичных ядерных частиц; / -
количество ядерных частиц продуктов ядерных реакций, сечение &-го механизма
рассеивания; Nq - концентрация атомов в 1 см3.
В случае, если возможно пренебречь вторичными частицами, соотношение
(1.19.7) сводится к следующему:
Pj = 1 - exp
(8)
где f(E)dE - вероятность того, что в микрообъеме при прохождении заряженной
частицы выделенная энергия находится в пределах от Е до Е + dE. Параметры Se и
f(E)b общем случае являются функциями как энергии частиц, так и технологическо-
го исполнения элементов ИС (геометрических факторов).
Обычно чувствительный объем выражают через некоторую геометрическую фи-
гуру (как правило, прямоугольный параллелепипед) и для оценки энерговыделения
используют подход на постоянстве ЛПЭ внутри чувствительного объема (ЛПЭ-под-
ход). При этих предположениях соотношение (1.19.8) преобразуется к виду [7]:
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОЯЧ
505
7? = 0,25 Ф 5 J I(LET)fd\ —\dLET,
$ {pLET)
(1.19.9)
где fd(x) - дифференциальная функция распределения хорд чувствительного объема;
I(LET) - интегральный ЛПЭ-спектр ядерных частиц; р - плотность вещества.
Для косвенно ионизирующих частиц можно не учитывать первичные ионизаци-
онные потери и считать:
Pj = 1 - exp
т /
к J Ej°
(1.19.10)
Вид функций /(£) определяется геометрическими факторами и энергетическим
спектром первичных и вторичных частиц. Как правило, при анализе локальных ра-
диационных эффектов вместо параметров Se, Ve,f(E) используют один обобщающий
параметр о - сечение эффекта, а вместо энергетической зависимости при воздейст-
вии первично ионизирующих частиц используют связанную с ней зависимость от
ЛПЭ - LET. Переход к функции от ЛПЭ позволяет не учитывать специфики отдель-
ных первично ионизирующих частиц (энергию, заряд и массу частицы). В этом слу-
чае соотношение (1.19.8) (без учета геометрических факторов) сводится к следую-
щему:
Р = 1 - ехр {-Ф Jo(L£7) q(LET) dLET], (1.19.11)
где g(LET) - сечение эффекта для отдельного элемента; (р(ЛЕТ’) - нормированная
плотность распределения ЛПЭ для рассматриваемого потока ТЗЧ.
Однако данный подход несправедлив при моделировании локальных эффектов от
короткопробежных частиц, поскольку в итоге приводит к некорректной зависимости
частоты локальных эффектов от угла падения ядерных частиц. Действительно, в ре-
альных полях космической радиации, когда поля являются изотропными, эффекты от
ОЯЧ могут иметь место при значениях ЛПЭ меньших, чем его пороговое значение
LETq. Например, в предположении кубического объема чувствительной области эф-
фекты могут иметь место при LET < 1,7 LETq. Поэтому, если эффект защелкивания
имеет место при LET= 50 МэВ-см2-мг-1, это не означает его отсутствия при воздейст-
вии галактических космических лучей. Поэтому в общем случае приходится возвра-
щаться к соотношению (1.19.7) и определять следующие характеристики:
• зависимость сечения сбоев от заряда (энергии) переключения;
• зависимость сечения сбоев от линейных потерь энергии;
• параметры чувствительного объема элемента.
Чувствительный объем элементов БИС необходим, с одной стороны, для опреде-
ления зависимости сечения сбоев от угла падения ОЯЧ, а с другой - для уточнения
модели потерь энергии ОЯЧ в нем (модель полного торможения или модель посто-
янной величины ЛПЭ).
Наиболее широко используется при оценках частоты (вероятности) локальных
радиационных эффектов модель чувствительной области в виде параллелепипеда.
Например, в модели IRPP учитывается различная чувствительность элементов ИС от
ЛПЭ (обычно аппроксимируется с помощью функции Вейбулла). При этом сущест-
вует возможность оценки частоты локальных радиационных эффектов для несколь-
ких групп однотипных элементов:
506
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
п С LETmM / т ргр \
vz = iwi(LETw) J fy(LET') C, dLET dLETw,
(1.19.12)
где LET^n « LETU a Ha2 + b2 + c2; a9b9c- размеры чувствительной области; LETm^ -
максимальное значение ЛПЭ в спектре ТЗЧ; w(Z) - дифференциальная функция
зависимости сечения эффекта от ЛПЭ; ф(А) - дифференциальный ЛПЭ-спектр ТЗЧ;
Cz(x) - интегральное распределение хорд в чувствительном объеме; п - количество
чувствительных элементов.
При полном торможении ядерной частицы внутри чувствительного объема про-
исходит практически полное собирание заряда, и в этом случае необходима зависи-
мость сечения сбоев от энергии переключения. Тогда вероятность появления эффекта
описывается с помощью следующей формулы:
^гпах
Р = 1-ехр- j
. £»
п/2
J у(Е, 0)а {(Е - LET ds I cos 0), 0} dEdQ [,
0
(1.19.13)
где \|/(£,0) ~ пространственно-энергетическое распределение ядерных частиц в зави-
симости от угла 0 и энергии Е ОЯЧ; <з(Е9 0) - зависимость сечения локального радиа-
ционного эффекта от энергии и угла падения ОЯЧ; ds - толщина защитного окисла.
Условие возникновения локального радиационного эффекта в случае энерговыде-
ления от вторичных ядерных частиц - продуктов ядерных реакций, можно выразить
через полные потери энергии всех частиц:
ДЕ+^ДЕ*у>Е/0) (1.19.14)
где Д£ - ионизационные потери первичной ядерной частицы в эффективном объеме
до места возникновения ядерной реакции; - ионизационные потери в чувстви-
тельном объеме j-ой ядерной частицы, образовавшейся в результате ядерной реакции
по к-му механизму.
Как правило, для косвенно-ионизирующих частиц локальные радиационные эффек-
ты возникают за счет появления высокоэнергетичных вторичных ядерных частиц -
продуктов ядерных реакций. В этом приближении можно записать, что вероятность
возникновения локального радиационного эффекта оценивается из соотношения:
Р = ФЕГУ(Д£>£’0), (1.19.15)
где Е - макроскопическое сечение неупругого рассеяния первичной ядерной частицы
в кремнии; N(AE > Eq) - интегральный спектр энерговыделения Д£ в чувствительном
объеме элемента ИС V.
Для большинства практических случаев можно пренебречь ионизационными по-
терями первичных и относительно легких вторичных частиц и учитывать только од-
ну тяжелую вторичную ядерную частицу. При этом можно также предполагать, что
эта частица полностью теряет свою энергию в чувствительном объеме:
Е1Ц>Е^ (1.19.16)
где £тч - энергия тяжелой вторичной частицы. В этом случае
Р = ФЕ VPS{\E >Eq)9 (1.19.17)
где Ps - вероятность образования тяжелой вторичной с полной энергией Д£,.
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОЯЧ
507
1.19.3. Моделирование локальных радиационных эффектов
1.19.3.1. Одиночные сбои
Самым распространенным локальным радиационным эффектом в цифровых ИС
является одиночный сбой. Проанализируем возникновение ОС в шеститран-
зисторной ячейке памяти КМОП ОЗУ (рис. 1.19.4). Предположим, что в исходном
состоянии транзисторы VI и V3 открыты, а
транзисторы V2 и V4 закрыты. Попадание
ядерной частицы в исток любого транзистора
не приведет к ионизационной реакции этой
схемы, потому что ионизационный ток замк-
нется через шину питания или земли. Действи-
тельно, из приведенного топологического раз-
реза (рис. 1.19.5) видно, что ток истока р-ка-
нального транзистора замыкается через ^-кон-
Рис. 1.19.4. Эквивалентная схема
шеститранзисторной
КМОП-ячейки памяти
такт к «карману» на «землю», а ток истока
и-канального транзистора утекает в шину пи-
тания через и+ контакт к подложке.
Нетрудно также заметить, что ионизацион-
ные токи стоков открытых транзисторов подтверждают логическое состояние ячейки
памяти. Только ионизационные токи стоков закрытых транзисторов V2 и V4 способ-
ствуют переключению ячейки памяти. При этом ток стока закрытого и-канального
транзистора V4 (/и„) уменьшает напряжение на входах транзисторов VI и V2, иони-
зационный ток р-канального закрытого транзистора V2 приводит к увеличению на-
пряжения на входах транзисторов V3 и V4. Следует отметить, что в большинстве
ячеек памяти стоки разрядных транзисторов объединены со стоками и-канальных
транзисторов, входящих собственно в триггер. Поэтому при анализе чувствительной
области необходимо рассматривать суммарную площадь стоков и-канальных транзи-
сторов V4 и V5.
zj-Si
Рис. 1.19.5. Топологический разрез КМОП-инвертора:
L„, Lp - длины каналов п- и р-МОП-транзисторов, dOK - толщина
подзатворного окисла, <7Sio2 - толщина защитного окисла,
- толщина алюминиевой металлизации, hk - глубина залегания
кармана, hc - глубина залегания истоковых и стоковых областей
508
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
В первом приближении ионизационная реакция на выходах (стоках) закрытых
транзисторов ячейки памяти оценивается из соотношения (1.19.3). Как только ампли-
туда входного сигнала превысит порог срабатывания, ячейка переключится в другое
логическое состояние.
В простейшем случае зависимость сечения сбоев от ЛПЭ можно представить в
виде ступенчатой функции. Для рассматриваемого случая эта зависимость может
быть определена следующим образом:
a(LET) =
0, LET <LETQi
'^S„,LET>LETo,
(1.19.18)
где суммирование ведется с учетом всех площадей стоков закрытых транзисторов. В
свою очередь, оценка порогового значения ЛПЭ, [МэВ-см2-мг-1] для кремниевых ИС
может быть проведена из соотношения:
LET0 « 10’2 А^помС"?-, (1.19.19)
А*
где Zef - эффективная длина собирания носителей с трека ядерной частицы за счет
дрейфовых процессов, [см]; Свх - входная емкость ячейки памяти, [пФ]. В общем
случае эффективная длина собирания носителей с трека ядерной частицы зависит от
технологических параметров ИС. Например, для КНИ/КНС эта величина равна тол-
щине активного слоя кремния (при нормальном падении частиц), тогда как для объ-
емных элементов ИС в большинстве случаев ее можно оценить величиной, равной
5 мкм. Таким образом, при Д£/пом = 1 В пороговое значение ЛПЭ напрямую зависит
от входной емкости ячейки памяти:
LET0 [МэВ-см2-мг-1] «20Свх [пФ]. (1.19.20)
Важно отметить, что в представленном соотношении входная емкость пропор-
циональна площади (линейным размерам) отдельного транзистора. Таким образом,
даже в очень грубом приближении получаем, что сечение сбоев на один бит инфор-
мации и пороговое значение ЛПЭ уменьшаются по мере роста степени интеграции
(уменьшения топологических норм проектирования). Однако следует иметь в виду,
что по мере уменьшения геометрических размеров паразитные емкости становятся
пропорциональны периметру, а не площади элемента.
Несколько особняком стоят ячейки памяти динамических ОЗУ (ДОЗУ) и
ПЗС-структур. Дело в том, что элементы этих схем работают с зарядами, которые
необходимо регулярно регенерировать, а сами элементы реализуют таким образом,
чтобы токи утечек, которые способны разряжать конденсаторы, были минимальны-
ми. Поэтому для этих элементов характерное время электрической реакции RC очень
велико и составляет несколько миллисекунд и более. Следовательно, для подобных
инерционных элементов ИС необходимо производить оценку полного собранного
заряда и сравнивать его величину с критической величиной 0кр.
Работа ячеек памяти динамических ОЗУ основана на сравнении зарядов, считы-
ваемых с опорного конденсатора Соп и собственно конденсатора ячейки памяти Сяп,
который подключается к шине при включении транзистора Мяп (рис. 1.19.6) [16].
Сравнивая амплитуды сигналов, поступающих на свои входы, дифференциальный
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОЯЧ
509
иоп
— Соп
Рис. 1.19.6. Фрагмент структуры ДОЗУ
составляют несколько десятков мВ.
усилитель формирует сигнал логического ноля
или единицы, исходя из условия:
—2™—>—бол— (1.19.21)
С +С С +С
'“'яп ' '“'рш '“'оп ' '“'рш
0ЯП - заряд на накопительном конденсаторе
ячейки памяти; 20П - заряд на опорном конден-
саторе; Срш - емкость разрядной шины. Как
правило, емкость ячеек памяти составляет не-
сколько десятков фФ, а разрядной шины - на
порядок и более выше. Поэтому уровни сигна-
лов на входах дифференциального усилителя
При условии Соп « Сяп величина критического заряда 0кр равна 0ОП и составляет не-
сколько единиц-десятков фКл.
Из этого простейшего анализа видно, что наиболее чувствительными являются
только ячейки памяти, на накопительных конденсаторах которых отсутствует заряд.
Однако из-за использования в большинстве ИС ДОЗУ инвертирующих и неинверти-
рующих усилителей записи/считывания, которые по-разному трактуют логическое
состояние при наличии (отсутствии) заряда на запоминающем конденсаторе, проис-
ходит стирание как логических нолей, так и единиц.
Анализ показывает [16], что в ИС ДОЗУ подвержены влиянию ТЗЧ также усили-
тели записи-считывания, разрядные шины, опорные конденсаторы, ячейки памяти -
конденсаторы памяти и ключевые транзисторы. Остальные функциональные узлы
(дешифраторы, регистры, генераторы опорного напряжения и т. д.), во-первых, не
работают в режиме плавающего потенциала, а, во-вторых, имеют существенно боль-
шие значения пороговых энергий переключения.
Так как в течение времени заряд на ячейке памяти уменьшается, требуется регу-
лярная «подпитка» (регенерация) заряда на ячейке. Обычно регенерация осуществля-
ется для всех ячеек памяти, подключенных к одной и той же выбранной строке ОЗУ.
Типовое время регенерации Грег составляет единицы миллисекунд. В рассматривае-
мой структуре 7?С ~ Грег, вследствие чего происходит полное собирание заряда. По-
этому с оценки пороговых значений ЛПЭ для стирания информации дают величину
менее 1 МэВ-см2-мг-1. Данная величина оказывается меньше значений ЛПЭ, созда-
ваемых альфа-частицами с энергией около 5 МэВ. Поэтому в ячейках памяти ДОЗУ
имеют место ОС от естественной радиоактивности а-материалов [1, 17, 18].
В общем случае в реальных ИС необходимо учитывать следующие моменты:
• сечение ОС элементов может изменяться в зависимости от режима работы ИС
(запись, чтение, хранение, регенерация и т. п.);
• отдельно взятый функциональный элемент ИС может быть чувствителен толь-
ко в течение части цикла обращения к ИС;
• ОС, возникающие в «незадействованных» ячейках памяти, в регистрах не при-
водят к функциональным сбоям;
• в ряде ИС возможны сбои, которые не предусмотрены алгоритмами работы
ИС, вследствие чего выход из этого состояния возможен только с использова-
нием прерываний или команд рестарта [19, 20].
510
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.19.7. Модель возникновения
многократных ОС
Рис. 1.19.8. Типовые зависимости
сечений ОС от ЛПЭ при наличии
многократных ОС: 1 - отсутствие
насыщения; 2 - пороговый характер
включения многократных ОС;
3 - плавное изменение характера
зависимости
Последний случай проявления ОС являет-
ся наиболее критичным. Действительно, сбои
в ячейках памяти, содержащих данные, могут
быть скорректированы с использованием ап-
паратно-алгоритмических методов обнаруже-
ния и коррекции ошибок. Такой возможности
здесь не существует. Единственным способом
восстановления работоспособности цифрово-
го устройства является подача сигнала на-
чальной установки/сброса (сигнал RESET).
По мере уменьшения топологических раз-
меров элементов ИС не исключена ситуация,
когда ОЯЧ может привести к возникновению
сразу нескольких сбоев в ячейках памяти, рас-
положенных рядом [21,22]. Такие много-
кратные одиночные сбои чаще всего возни-
кают, когда ядерная частица с относительно
большими значениями ЛПЭ попадает на кри-
сталл ИС под «косым» углом падения
(рис. 1.19.7).
Многократные сбои проявляются в эле-
ментах ИС, физически расположенных рядом
на кристалле ИС. При этом надо иметь в виду,
что не всегда соседнее физическое располо-
жение элементов ИС соответствует соседним
логическим адресам. В ряде случаев логиче-
ские адреса могут соответствовать соседним
столбцам (строкам) или разным разрядам
цифровой многобитовой информации.
Следует отметить еще одну возможность
возникновения многократных одиночных сбоев - фиксация (запись) ложного сигнала
сразу несколькими ячейками памяти. Например, в цикле записи при попадании ОЯЧ
в схемы дешифрации возможна кратковременная ошибочная выборка, что может
привести к записи той же входной информации, но по другому адресу.
При наличии многократных ОС в зависимости сечения эффекта от ЛПЭ может
отсутствовать участок насыщения либо зависимость приобретает многоступенчатый
характер (рис. 1.19.8).
1.19.3.2. «Иголки»
ОС проявляются в ИС, в которых имеются элементы памяти (ячейки памяти,
триггера и т. п.). Вместе с тем существует большой класс ИС, в которых отсутст-
вуют подобные структуры. Это цифровые комбинационные ИС, аналоговые ИС,
генераторы и т. п. Кроме того, даже в ОЗУ существуют узлы, которые состоят из
комбинационных схем. При попадании ОЯЧ в подобные ИС возникает кратковре-
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОЯЧ
511
«Иголка» типа «О»
Рис. 1.19.9. Фрагмент цифровой комбинационной ИС
менный импульс ионизационной реакции («иголка»), который может также привести
к нарушению функционирования электронных устройств КА. Величина возникаю-
щего при этом импульса напряжения может меняться от нескольких мВ до десят-
ков В [23, 24].
Очевидно, что если амплитуда сигнала меньше уровня помехоустойчивости, то
этот сигнал не дойдет до выхода. Даже в случае, если амплитуда импульса ИР на вы-
ходе отдельного элемента выше помехоустойчивости, не всякая «иголка» может вы-
звать сбой в аппаратуре.
Поясним данное обстоятельство на примере простейшего фрагмента цифровой
комбинационной схемы (рис. 1.19.9). Нас интересует ситуация, когда на выходе 7
элемента D3 возможно появление ложного сигнала. Очевидно, что если на одном из
входов элементов D1 и D2 установлены уровни логических единиц, то элемент D3
будет отрабатывать любой выходной импульс с амплитудой выше уровня помехо-
устойчивости («иголка» типа «1») от элементов D1 и D2, возникающий от ОЯЧ. При
этом оказывается чувствительным и сам элемент D3, если в нем возникают «иголки»
типа «О». Элементы D1 и D2 в этом случае для иголок такого типа оказываются не-
чувствительными к попаданию в них ОЯЧ - «иголки» типа «О» только подтверждают
состояние выхода. Таким образом, наибольшей чувствительностью данный фрагмент
ИС обладает, когда на входах присутствуют все логические единицы.
Предположим теперь, что на входы элемента D1 поданы логические ноли. В этом
случае возникновение любого сигнала от ОЯЧ в элементе D2 не приведет к переклю-
чению элемента D3. Таким образом, возникновение «иголок» в ИС D2 не приведет к
появлению функциональных отказов во всем устройстве. (Данное утверждение спра-
ведливо и ко всем другим элементам, подключенным к входам D2). Следовательно, в
этом случае выходная реакция появляется только при попадании ОЯЧ в чувствитель-
ные области D2 и D3.
Минимальной чувствительностью рассматриваемый фрагмент будет обладать,
когда на всех входах будут установлены логические ноли. В этом случае сбои воз-
можны только при попадании ядерных частиц в чувствительные фрагменты эле-
мента D3.
Следует отметить, что даже если на выходе элемента цифровой ИС появился
ложный логический сигнал, то это не означает, что в устройстве будет иметь место
функциональный сбой. Сигнал ошибки будет зафиксирован, если он будет синхрони-
зован с фазой записи информации в регистр хранения промежуточных данных.
512
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
На рис. 1.19.10 представлена функция
чувствительности ИС в функции длительно-
сти синхроимпульса записи при различных
его частотах [25]. Чувствительность опреде-
лена как число зафиксированных функцио-
нальных сбоев к общему количеству возни-
кающих иголок. Нетрудно заметить рост
чувствительности по мере увеличения час-
тоты опроса и длительности импульса. Дей-
ствительно, при более высоких частотах
«иголки» более легко распространяются по
внутренним цепям и, следовательно, увели-
чивается вероятность их фиксации.
Цифровые устройства можно условно
разделить на три группы по критерию чув-
ствительности к «иголкам»:
Рис. 1.19.10. Чувствительность цифровых
ИС в зависимости от длительности
синхроимпульса Ги [25]
• очень чувствительные (чувствительность > 8%);
• чувствительные (чувствительность от 3% до 8%);
• слабо чувствительные (чувствительность < 3%).
1.19.3.3. Тиристорный эффект
Воздействие отдельных ТЧЗ (ионов, протонов и нейтронов) на ИС за счет гене-
рации большого локального заряда приводит к возникновению эффектов защелки-
вания (тиристорных эффектов\ которые выражаются в потере функционирования
ИС и в резком увеличении тока потребления. Указанные эффекты в ряде случаев
являются обратимыми и могут быть восстановлены при кратковременном отклю-
чении питания.
Эффект защелкивания происходит в том случае, когда электрический заряд, гене-
рируемый отдельными ОЯЧ в чувствительной области элемента ИС, приводит к
включению паразитной NPNP четырехслойной структуры. В ряде случаев за счет
протекания большого тока по цепи питания происходит катастрофический отказ ИС
или источника питания. Эффект защелкивания - это пороговый регенеративный эф-
фект, связанный с активизацией паразитных многослойных (четыре и более взаимо-
действующих областей) структур при дестабилизирующих воздействиях. Наиболь-
шей чувствительностью к эффекту защелкивания обладают КМОП ИС. Относитель-
но редко этот эффект имеет место в биполярных ИС. Эффект защелкивания очень
чувствителен к напряжению питания ИС и температуре окружающей среды. Наи-
большая чувствительность к эффекту защелкивания имеет место при повышенной
температуре и максимально возможном напряжении питания ИС.
Характерной особенностью эффекта защелкивания является его S-образная вольт-
амперная характеристика, которая характеризуется двумя характерными точками - А
и В (рис. 1.19.11). В точке А происходит включение тиристорной структуры. Необ-
ходимым условием является, чтобы приложенное к анализируемой структуре напря-
жение было больше напряжения включения [/вкл. Поэтому у паразитных PNPN струк-
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОЯЧ
513
тур, в которых напряжения питания меньше
С7ВКЛ, ТЭ при воздействии ОЯЧ не наблюда-
ется. После срабатывания положительной
обратной связи паразитная PNPN структура
попадает в устойчивое низкоомное состоя-
ние (точка С), которое характеризуется ма-
лым сопротивлением. В этом состоянии
протекают большие стационарные токи -
десятки и сотни миллиампер. Однако, если
при этом имеет место ограничение тока,
т. е. ток в точке С меньше тока удержания,
то происходит возврат в исходное высоко-
омное состояние.
Эффект защелкивания в ИС идентифи-
цируется по одновременному выполнению
следующих основных внешних признаков:
• резкого возрастания тока потребления
Рис. 1.19.11. Вольт-амперная
характеристика, характеризующая
эффект защелкивания
до значений на порядок и более пре-
восходящих режимные значения;
• сохранения больших значений токов после окончания взаимодействия ТЗЧ с
веществом;
• потеря функционирования ИС;
• возможности восстановления работоспособности ИС (тока потребления) после
кратковременного отключения или уменьшения напряжения на структуре.
Следует отметить, что эффект защелкивания проявляется и при других видах воз-
действий, в частности, при воздействии импульсного ионизирующего излучения
(ИИ). Однако результаты этих испытаний нельзя распространить на эффект защелки-
вания, обусловленный воздействием ТЗЧ. Можно только говорить, что если КМОП
ИС защелкивается при воздействии импульсной радиации, то она будет защелки-
ваться и при воздействии ТЗЧ. Вместе с тем, из-за эффекта «просадки» питания при
Рис. 1.19.12. Эквивалентная
схема для расчета эффекта
защелкивания
воздействии импульсного ИИ чувствительность ИС к
эффекту защелкивания может значительно снижать-
ся [26]. Поэтому не исключена ситуация возникнове-
ния эффекта защелкивания при воздействии ТЗЧ, при
этом этот эффект не проявляется в ходе испытаний ИС
при воздействии импульсного ИИ.
Анализ различных схемотехнических моделей ти-
ристорных элементов показывает, что все домини-
рующие эффекты в них достаточно хорошо описывают-
ся двухтранзисторной эквивалентной схемой, полный
вид которой представлен на рис. 1.19.12. Здесь PNP
транзистор образуется истоком ^-канального МОП-
транзистора (эмиттер), подложкой (база) и «карманом»
(коллектор). Соответственно NPN транзистор состоит
из истока w-канального МОП-транзистора, «кармана»
(база) и подложки (коллектор). Транзисторы учитыва-
514
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
ют инжекцию неравновесных носителей из истоковых переходов и собирание их пе-
реходом «карман»-подложка. Разность потенциалов, возникающая между соответст-
вующими узлами эквивалентной схемы при растекании неравновесных носителей,
отражается в схеме резисторами. Так, R„ и Rp учитывают разности потенциалов меж-
ду истоками соответствующих транзисторов и контактами к подложке и «карману»
и т. д. Генератор тока отражает ионизационную реакцию при воздействии ТЗЧ.
1.19.3.4. Эффект вторичного пробоя
э п Б Р К эпислой, п п п+
Рис. 1.19.13. Одномерная модель
возникновения вторичного
пробоя, индуцированного током:
Э - эмиттер, Б - база,
К - коллектор, П - подложка
Эффект вторичного пробоя, возникающий в биполярных (паразитных и актив-
ных) структурах при больших обратных смещениях коллекторного перехода, по
внешним признакам близок к эффекту защелкивания. Также за счет генерации боль-
шого локального заряда в обедненной области обратно-смещенного р-п перехода
происходит потеря функционирования прибора и резкое увеличение тока потребле-
ния. Этот эффект в ряде случаев является обратимым, и структура может продолжать
функционировать нормально после кратковременного отключения питания [27].
Эффект вторичного пробоя происходит в том случае, когда генерированные от-
дельными ТЗЧ или протонами свободные носители имеют возможность лавинооб-
разно размножаться в обедненной области р-п перехода,
тем самым переводя биполярную структуру в режим
лавинного умножения. При достижении определенных
условий образуется положительная обратная связь, пе-
реводя паразитный биполярный транзистор в открытое
состояние, и по цепи питания начинает протекать боль-
шой сквозной ток. В ряде случаев за счет протекания
большого тока по цепи питания происходит катастро-
фический отказ ИС. Как правило, эффект вторичного
пробоя возникает в w-канальных МОП-транзисторах с
двойной диффузией (DMOS) и в мощных биполярных
транзисторах. Обязательным условием является наличие
большой исходной напряженности электрического поля
в относительно протяженной области р-п перехода с
тем, чтобы генерированный излучением электрон (дыр-
ка) был в состоянии создать за счет лавинного умноже-
ния еще несколько избыточных носителей заряда. Ти-
пичные размеры области, в которой развиваются про-
цессы лавинного умножения, составляют 5-10 мкм.
Простейшая модель, объясняющая возникновение
вторичного пробоя от ТЗЧ, базируется на модели ла-
винного умножения, индуцированного током. Предпо-
ложим, что первоначально в биполярной структуре от-
сутствовал начальный ток. Тогда обратно приложенное
напряжение будет падать на коллекторном переходе,
часть которого захватит эпитаксиальную коллекторную
область (рис. 1.19.13а).
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОЯЧ
515
При протекании ионизационного тока часть падения напряжения приходится на
квазинейтральную область коллектора (эффект Кирка) [28]. Поэтому электрическое
поле начинает проникать в квазинейтральную область коллектора, приводя тем са-
мым к уменьшению максимальной напряженности электрического поля на границе с
базовой областью (рис. 1.19.136). Наконец, при некоторой критической величине
тока (рис. 1.19.13г):
( 2pU
4п=^лрн И„+--------г , (1.19.22)
КР -* др_н п qj^r j 4 7
где q - заряд электрона; удр_н - скорость насыщения электронов; Nn - концентрация
легирования коллекторной области; Ukq - приложенное напряжение к коллекторному
переходу; Wn - толщина квазинейтрального коллектора; £ - абсолютная диэлектриче-
ская проницаемость кремния; электрическое поле достигает края квазинейтральной
области коллектора.
По мере дальнейшего роста тока происходит расширение базовой области
(рис. 1.19.13д):
^cib = (1 - > (1-19.23)
а область электрического поля все больше локализуется на краю эпитаксиального
слоя.
Наконец, при некотором увеличении тока напряженность электрического поля
достигает своего критического значения, при котором начинаются процессы лавин-
ного умножения. Образующиеся дырки попадают в базу, открывая эмиттерный пере-
ход, тем самым способствуя увеличению тока коллектора. Таким образом, включает-
ся положительная обратная связь, вследствие чего происходит резкое увеличение
тока, приводя к вторичному пробою биполярной структуры.
1.19.3.5. Эффект «прокола» подзатворного окисла
Механизм возникновения «прокола» подзатворного диэлектрика несколько от-
личается в случае попадания ядерной частицы
в мощный МОП-транзистор и в элемент ИС.
Вначале проанализируем проявление этого
эффекта в w-канальных МОП-транзисторах с
двойной диффузией (рис. 1.19.14).
«Прокол» подзатворного диэлектрика в
МОП-транзисторе обусловлен пробоем подзат-
ворного диэлектрика в области прохождения
ТЗЧ. При определенных условиях генериро-
ванный излучением заряд в приповерхностной
области около «шейки» (рис. 1.19.14) может
привести к существенному увеличению на-
Рис. 1.19.14. «Прокол» диэлектрика
имеет место, когда ТЗЧ проходит через
«шейку» МОП-транзистора
пряженности электрического поля в окисле и
вызвать пробой окисла. При этом значительно
возрастает ток между затвором и истоком, вы-
516
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
зывая локальное тепловое разрушение диэлектрической структуры и тем самым «ме-
таллизируя» этот канал. В итоге остается остаточный ток утечки между затвором и
истоком, приводя в ряде случаев к потере работоспособности МОП-транзистора.
В общем случае эффект прокола подзатворного окисла обусловлен двумя причи-
нами. Первая связана с резким и значительным снижением пробивного напряжения
диэлектрика при его существенной локальной ионизации. В этом случае считается,
что пробой имеет место, если величина напряженности электрического поля превы-
шает критическое значение, равное [8]:
=4,l-107/VZ£f, (1.19.24)
где критическая напряженность электрического поля выражена в [B-см"1], а ЛПЭ - в
[МэВ-см2-мг-1]. Такой механизм прокола диэлектрика реализуется в элементах ИС с
тонкими подзатворными окислами, работающими при больших напряженностях
электрического поля, например, в режиме записи информации в электрически сти-
раемые ПЗУ.
Вторая причина связана с вкладом подложки, в которой при прохождении ТЗЧ
возникает сильное возмущение в обедненной области. Перераспределение потенциа-
лов внутри полупроводниковой структуры локализует приложенные напряжения к
стоку и истоку около границы кремния и подзатворного окисла, тем самым увеличи-
вая напряженность электрического поля в подзатворном окисле. Основная причина
резкого увеличения напряженности электрического поля обусловлена тем, что часть
приложенного напряжения к истоку транзистора за счет локальной ионизации «при-
ближается» к границе раздела «полупроводник-оксид» в течение очень короткого
промежутка времени. За счет этого резко возрастает локальная напряженность элек-
трического поля, которая в итоге превышает критический уровень, достаточный для
пробоя подзатворного диэлектрика, вызывая его «прокол».
Зависимость эффекта «прокола» диэлектрика от различных факторов (напряже-
ния затвор-исток [/зи, напряжения сток-исток [/Си, ЛПЭ ТЗЧ LET, толщины окисла
Рис. 1.19.15. Экспериментальные и
расчетные зависимости эффекта «прокола»
в диэлектриках мощных МОП-транзисторов
от t/си, ЛПЭ и dox: 50 нм (сплошные)
и 150 нм (штриховые линии) [29]
dox) изучались во многих работах [29, 30],
в результате чего было получено следую-
щее эмпирическое соотношение:
^и = 0,87С/си(1-е-лет/18)-
- 1(WOX/(1 +LET/53). (1.19.25)
Здесь LET выражена в [МэВ-см2-мг-1], на-
пряжение - в [В], толщина подзатворного
диэлектрика dox в [см]. Коэффициент перед
величиной напряжения сток-исток [/Си
показывает влияние подложки при попа-
дании туда ТЗЧ и учитывает долю напря-
жения сток-исток, которая появляется у
границы раздела. Второй член учитывает
возможность возникновения пробоя ди-
электрика в отсутствии смещения между
стоком и истоком. На рис. 1.19.15 пред-
ГЛАВА 1.19
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОЯЧ
517
ставлены результаты сравнения экспериментальных данных и зависимостей, постро-
енных с помощью соотношения (1.19.20) [29]. Нетрудно убедиться в хорошей корре-
ляции представленных результатов.
Характер отказа после пробоя диэлектрика бывает различным - это либо образо-
вание омического канала, либо выпрямляющего контакта. Эффект прокола характе-
рен для мощных МОП-транзисторов и для микросхем, изготовленных по технологии
0,25 мкм и менее. Эффект может возникать при напряженности электрического поля
в диэлектрике (ЗЮг) больше 5 МВ-см-1.
1.19.3.6. Катастрофические отказы
Катастрофические отказы элементов ИС обусловлены большой локальной де
градацией отдельного элемента, связанной
с объемными структурными повреждения-
ми или поверхностными радиационными
эффектами. Наиболее изученными являют-
ся отказы отдельных пикселей в ПЗС-струк-
турах, которые называют «спайками». Они
происходят вследствие того, что в области
хранения заряда возникает под действием
облучения большая локальная область ра-
диационных дефектов. Ввод кластеров ра-
диационных дефектов приводит к резкому
локальному возрастанию тока утечки, ко-
торый уменьшает хранящийся заряд. Если
за время одного кадра снижение заряда
становится ниже некоторого порогового
уровня, то этот пиксель будет восприни-
маться как темный, так как будет считать-
Рис. 1.19.16. Зависимость сечений сбоев (1)
и отказов (2) от линейных потерь энергии
для ДОЗУ Hyundai 64-Mb SDRAM [31]
ся, что на нем отсутствует заряд.
Другой тип отказов связан с так называемыми «залипшими битами в динамиче-
ских ОЗУ (ДОЗУ) (рис. 1.19.16) [31]. При попадании ОЯЧ в чувствительную область
прибора происходит сильная деградация его характеристик, вследствие чего отдель-
ные ячейки памяти «залипают» в одно из устойчивых логических состояний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ionizing radiation affects in MOS devices and circuits. Eds. Ma T.P., Dressendorfer P.V. John Wiley and
Sons, 1989, 588 p.
2. Holmes-Siedle A., Adams L. Handbook of radiation effects. Oxford University Press, 1993, 479 p.
3. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты в КМОП интегральных схемах.
М.: Радио и связь, 1994, 180 с.
4. Messenger G.C., Ash M.S. Single event phenomena. Chapman & Hall, 1997, 368 p.
5. The radiation design handbook. European Space Agency. ESTEC, Noordwijk, the Netherlands, 1993, 444 p.
6. Чумаков А.И. Действие космической радиации на ИС. М.: Радио и связь, 2004, 320 с.
7. Petersen E.D. Single-event analysis and prediction. 1997 IEEE NSREC. Short Course: Applying Computer
Simulation Tools to Radiation Effects Problems. July 21, 1997 Snowmass Conference Center, Snowmass
Village, Colorado, pp. Ill-1-III-160.
518 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
8. Oldham T.R. How device scaling affects single event effects sensitivity. 2003 IEEE NSREC. Short Course:.
Radiation effects in advanced commercial technologies: how design scaling has affected the selection of spe-
cebome electronics. July 2003, 2003 Monteray, California, pp. IV-l-IV-66.
9. Belyakov V.V., Chumakov A.I., Nikiforov A.Y., Pershenkov V.S., Skorobogatov P.K., Sogoyan A.V. IC’s
radiation effects modeling and estimation. Microelectronics Reliability, 2000, v. 40, № 12, pp. 1997-2018.
10. Беляков В.В., Чумаков А.И., Никифоров А.Ю., Першенков В.С., Скоробогатов П.К., Согоян А.В. Рас-
четно-экспериментальные методы прогнозирования эффектов одиночных сбоев в элементах совре-
менной микроэлектроники. Микроэлектроника, 2003, т. 32, № 2, с. 134-151.
11. Микродозиметрия. Докл. 36 МКРЕ. М.: Энергоатомиздат, 1982, 192 с.
12. Иванов В.И., Лысцов В.Н., Губин А.Т. Справочное руководство по микродозиметрии. М.: Энергоатом-
издат, 1986, 184 с.
13. Иванов В.И., Лысцов В.Н. Основы микродозиметрии. М.: Атомиздат, 1979, 192 с.
14. Reed R.A., Marshall P.W., Johnston А.Н., Bart J.L., Marshall C.J., LaBel K.A., D’Ordine M., Kim H.S., Carts M.A.
Emerging optocoupler issues with energetic particle-induced transients and permanent radiation degradation.
IEEE Trans. Nucl. Sci., 1998, NS-45, 6, pp. 2833-2841.
15. Агаханян T.M., Аствацатурьян E.P., Чумаков А.И. Особенности использования БИС и сверхБИС в ап-
паратуре ядерного физического эксперимента. Электронные приборы и схемы для экспериментальной
физики. Под ред. Агаханяна Т.М. М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 3-9.
16. Баринов В.В., Березин А.С., Верне В.Д. и др. Сверхбольшие интегральные микросхемы оперативных
запоминающих устройств. Под ред. Вернера В.Д. М.: Радио и связь, 1991, 272 с.
17. Аствацатурьян Е.Р., Раткин А.В., Скоробогатов П.К., Чумаков А.И. Переходные ионизационные эф-
фекты в цифровых интегральных микросхемах. Зарубежная электронная техника, 1983, №9(267),
с. 36-72.
18. May Т.С., Woods М.Н. Alpha-particle-induced soft errors in dynamic memories. IEEE Trans. Electron Devi-
ces, 1979, v. ED-26, pp. 2-9.
19. Newberry D.M. SEU hardening approaches for VLSI logic circuits. J. Radiation Effects, Res&Eng., 1988,
v. 6, No 2, pp. 146-154.
20. McDonald P.T. et al. Non-random single event upset trends. IEEE Transaction on Nuclear Science, 1989,
v. NS-36, No 6, pp. 2324-2329.
21. Zoutendyk J.A., Edmonds L.D., Smith L.S. Characterization of multiple bit errors from single-ion tracks in in-
tegrated curcuits. IEEE Trans. On Nucl. Sci., 1989, v. NS-36, pp. 2267-2270.
22. Martin R.C., Ghoniem N.M., Song Y., Cable J.S. The size of in charge tracks on single event multiple-bit
upset. IEEE Trans. On Nucl. Sci., 1984, v. NS-34, No 6, pp. 1305-1310.
23. Turflinger T.L. Single event effects in analog and mixed-signal integrated circuits. IEEE Trans. Nucl. Sci.,
1996, v. NS-43, pp. 594-601.
24. Buchner S., Baze M., Brown D., McMorrow D., Melinger J. Comparison of error rates in combinational and
sequential logic. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1997, v. NS-44, pp. 2209-2215.
25. Borel J. Design automation and product evolution. Earth and space single-events. Short Course. RADECS, 2001,
pp. IVa-l-IVa-34.
26. Яненко A.B., Маврицкий О.Б., Егоров A.H., Скоробогатов П.К., Шевченко А.Ю., Чумаков А.И. Моде-
лирование эффекта защелкивания от отдельных ядерных частиц. Радиационная стойкость электрон-
ных систем. «Стойкость-98». Научно-технический сборник. Вып. 1. М.: СПЭЛС-НИИП, 1998, с. 67-68.
27. Galloway K.F., Johnson G.H. Catastrophic single-event effects in the natural space environment. 1996 IEEE
NSREC IEEE Nuclear and Space Radiation Conference. Short Course: Radiation Effects Challenges for 21st
Century Space Systems, July 15, 1996, Renaissance Esmeralda Resort Indian Wells, California, pp. V-l-V-54.
28. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2 кн. Кн. 1. Пер. с англ. М.: Мир, 1984, 456 с.
29. Titus J.L., Wheatley C.F. Experimental studies of single-event gate rupture and burnout in vertical power
MOSFET’s. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1996, v. NS-43, No 2, pp. 533-543.
30. Johnson G.H., Palau J.M., Dachs C., Galloway K.F., Schrimpf R.D. A review of the techniques used for model-
ing single-event effects in power MOSFET’s. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1996, v. NS-43, No 2, pp. 546-560.
31. EPE 2002 Annual report, 2002.
ГЛАВА 1.20
ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ
ЕСТЕСТВЕННОГО И ИСКУССТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Новиков Л.С.1; Семкин Н.Д.2; Ермолаев И.К.3, Пилюгин Н.Н.3;
Иванов Л.И.4, Никитушкина О.Н.4, Янушкевич В.А.4
1 НИИ ядерной физики МГУ
2 Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева
3 НИИ механики МГУ
* Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
Список сокращений
КА космический аппарат
МДМ металл-диэлектрик-металл (структура)
ОКП околоземное космическое пространство
РПЗ радиационные пояса Земли
СБ солнечная батарея
ФЭП фотоэлектрический преобразователь
ВВЕДЕНИЕ
Столкновения космических аппаратов (КА) с метеорными телами и с объектами,
входящими в состав космического мусора, относятся к числу важнейших факторов,
вызывающих повреждения и разрушения КА. Характер повреждений зависит в пер-
вую очередь от размеров сталкивающихся с КА тел и скоростей соударения, значе-
ния которых лежат в диапазоне -1-50 км-с-1.
520
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ BЗAИMOДEЙCTBИЯJCALCOKPУЖAЮЩEЙCPEДOЙ
РАЗДЕЛ 1
Твердые частицы с поперечными размерами менее 1 мм можно рассматривать как
постоянно воздействующий на КА фактор, характеризуемый плотностью их потока.
Для более крупных тел обычно вычисляется вероятность их столкновения с КА или с
отдельными фрагментами конструкции за некоторый временной интервал.
При указанных скоростях соударения происходит интенсивное энерговыделение в
ограниченном объеме вещества, сопровождающееся формированием ударных волн с
последующими механическими разрушениями, плавлением, испарением и терми-
ческой ионизацией образующихся паров. Удары частиц с поперечными размерами
более 0,5—1 см могут создавать сквозные пробоины в стенках КА и приводить к ката-
строфическим разрушениям. Удары же мелких частиц вызывают образование на по-
верхности КА кратеров и царапин, а при большом количестве ударов - заметную
эрозию поверхности. В наибольшей степени страдают от ударов мелких частиц раз-
личные оптические элементы: иллюминаторы, линзы, защитные стекла, зеркала
и т. д. Выбросы плазмы и световые вспышки, являющиеся следствием сильного ра-
зогрева вещества в зоне высокоскоростного удара, могут оказывать негативное воз-
действие на датчики научной аппаратуры и некоторые узлы электротехнического и
радиотехнического оборудования КА.
Исследования явлений, возникающих при высокоскоростном соударении твердых
тел, весьма важны для разработки методов защиты КА, а также методов регистрации
и измерения параметров объектов, входящих в состав метеорной материи и космиче-
ского мусора. Такие исследования представляют и самостоятельный научный инте-
рес, поскольку многие детали сопровождающих высокоскоростной удар процессов
плазмообразования, эмиссии электронов и ионов, возникновения световых вспышек,
инициирования электрических разрядов и т. д. пока изучены недостаточно.
Следует отметить, что начавшееся в последние годы изучение метеорных частиц
с помощью приборов, устанавливаемых на КА, дает ценнейшую информацию об эле-
ментном составе частиц и пространственно-временных характеристиках их потоков,
необходимую для решения фундаментальных проблем космофизики и космологии.
В настоящей главе приведены некоторые практически важные сведения о метеор-
ной материи и космических объектах искусственного происхождения, рассмотрены
физические явления, возникающие при высокоскоростном ударе, описаны методы
ускорения твердых частиц в лабораторных условиях, а также методы регистрации
частиц и измерения их параметров, используемые в лабораторных исследованиях и в
космических экспериментах, изложены принципы защиты КА от воздействия высо-
коскоростных частиц. При этом основное внимание уделено рассмотрению воздей-
ствия на КА частиц размером меньше 1 мм.
Более подробная информация о космическом мусоре и методах его модельного
описания содержится в гл. 3.5. Различные аспекты воздействия космического мусора
на КА и околоземную среду и меры по ограничению техногенного засорения косми-
ческого пространства рассмотрены также в гл. 2.5, 3.6, 3.7.
В связи с актуальностью проблемы космического мусора в период с 1993 по
2005 гг. проведены четыре международные конференции по этой проблеме. Исчер-
пывающую информацию о состоянии проводимых исследований можно найти в из-
данных трудах конференций [1-4], отдельные работы из которых цитируются при
дальнейшем изложении.
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
521
1.20.1. Метеорная материя и объекты искусственного происхождения
в космическом пространстве
1.20.1.1. Общие сведения о метеорных и техногенных телах
К метеорным телам (их называют также метеороидами) относятся движущиеся
в Солнечной системе тела с поперечными размерами от нескольких десятков мет-
ров до долей микрометра. Скорости метеорных тел относительно Земли лежат в
интервале -10-70 км-с”1 в зависимости от направления прихода. При определении
скорости столкновения КА с метеорным телом необходимо принимать во внимание
также собственную орбитальную скорость КА (-8 км-с'1) и угол между векторами
скорости сталкивающихся объектов. С учетом распределения метеорных тел по
скоростям и данных об их пространственном распределении в околоземном косми-
ческом пространстве (ОКП) рекомендовано использовать при оценке опасности
столкновения КА с метеорными телами среднее значение относительной скорости
20 км-с’1 [5].
Различают каменные метеороиды, плотность вещества которых близка к
3 г-см'3, и железные - с плотностью -7,8 г-см"3. В некоторых классификациях вво-
дят также метеороиды с промежуточными значениями плотности. Для микромете-
орных частиц в оценочных расчетах рекомендовано принимать значение плотности
1 г-см'3 [5].
При входе в атмосферу Земли большая часть метеорных тел сгорает в интервале
высот -60-110 км, образуя светящийся след, который называют метеором. Остатки
метеорных тел, достигающие поверхности Земли, называют метеоритами.
Частицы с поперечными размерами менее 1 мм принято называть микрометео-
роидами. Частицы микронных размеров могут не сгорать полностью при торможении
в верхней атмосфере Земли. В результате такие частицы некоторое время пребывают
в атмосфере, постепенно оседая на земную поверхность.
Луна, в отличие от Земли, не имеет атмосферы, поэтому метеорные тела беспре-
пятственно бомбардируют ее поверхность. При ударах метеорных частиц о поверх-
ность Луны возникают вторичные частицы - осколки лунного грунта, разлетающиеся
по баллистическим траекториям. Концентрация вторичных частиц в окрестности Лу-
ны превышает концентрацию первичных метеороидов. Основная масса осколков
лунного грунта имеет скорость меньше 1 км-с'1.
На Марсе наблюдаются пылевые бури, во время которых поднимаются с поверх-
ности и переносятся частицы грунта размером 1-10 мкм. Скорость частиц достигает
100-150 м-с"1, а плотность потока переносимой массы вещества 10'5 кг-м"2-с_1.
В некоторых уникальных космических экспериментах приходится встречаться с
существенно иными условиями бомбардировки поверхности КА твердыми час-
тицами. Например, при проведении в 1986 г. международного эксперимента по ис-
следованию кометы Галлея созданные в нашей стране космические станции «Ве-
га-1» и «Вега-2» прошли через газопылевую оболочку ядра кометы на расстоянии
8-9 тыс. км от него. При этом скорость станций относительно кометы, т. е. скорость
соударений с пылевыми частицами, была близка к 80 км-с"1, а плотность потока час-
тиц достигала 102-103 м'2-с-1 [6].
522
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.20.1. Соотношение потоков
техногенных объектов (1) и метеороидов (2)
различных размеров в области
низких околоземных орбит
Плотность потока метеороидов и тел
искусственного происхождения в ОКП
быстро убывает с ростом их размеров
(рис. 1.20.1) [7, 8]. Из рисунка видно, что в
области низких орбит плотность потока
техногенных тел с размерами меньше
10 мкм и больше 1 мм уже заметно пре-
вышает плотность потока метеороидов
соответствующих размеров.
На околоземных орбитах в настоящее
время находится около 9 тысяч техноген-
ных объектов с поперечными размерами
более -10 см, регулярно отслеживаемых с
помощью наземных радиолокационных и
оптических средств. Такие объекты вно-
сятся в специальные каталоги.
Помимо этого, на околоземных орби-
тах присутствуют в значительном количестве более мелкие осколки, образующиеся
при срабатывании различных пиротехнических устройств, при случайных или пред-
намеренных взрывах КА, а также при столкновениях техногенных объектов между
собой или с метеорными телами.
Рис. 1.20.2. Распределение по размерам суммарного числа техногенных объектов в области
низких околоземных орбит (а) и зависимость плотности их потока от высоты (б):
1 - частицы А120з, выбрасываемые при работе твердотопливных ракетных двигателей;
2 - чешуйки краски, отделяющиеся от поверхности КА; 3 - шлак, выбрасываемый
твердотопливными ракетными двигателями после окончания горения; 4 - частицы,
выбиваемые с поверхности КА ударами окружающих тел; 5 - капельки Na и К,
образовавшиеся при разрушении КА с ядерным энергетическим источником;
6 - фрагменты разрушившихся космических объектов;
7 - каталогизированные объекты
В процессе эксплуатации космической техники происходит также засорение ОКП
твердыми частицами малых размеров. Частицы диаметром -1-10 мкм образуются в
ГЛАВА 1 20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
523
Рис. 1.20.3. Время жизни мелких частиц
космического мусора в зависимости от
их начальной высоты h и размера <7, [м]:
1 - 10-3; 2 - ЮЛ 3 - 10’5; 4 - 1СГ6
Рис. 1.20.4. Число частиц, образующихся
за счет столкновений техногенных тел
в интервале высот 900-1100 км
в течение года
большом количестве при работе твердото-
пливных ракетных двигателей. Более круп-
ные частицы (чешуйки красок, эмалей)
отделяются от поверхности КА, подвер-
гающейся воздействию разнообразных фак-
торов космического пространства (вакуум,
плазма, солнечное излучение, потоки элект-
ронов и ионов высоких энергий). Суще-
ствуют и некоторые другие источники
подобных частиц.
За последние несколько лет получены
новые экспериментальные данные, позво-
ляющие достаточно точно охарактеризо-
вать состав космического мусора. На
рис. 1.20.2 показано распределение по
размерам суммарного числа техногенных
объектов в области низких околоземных
орбит с указанием состава и происхождения этих объектов [9] и плотности их потока
на разных высотах [10].
Поскольку на околоземных орбитах все искусственные объекты движутся с
близкими скоростями (~8 км-с"1), скорости столкновения объектов могут лежать в
диапазоне -0,1-16 км-с"1, в зависимости от взаимной ориентации их орбит. Для мо-
делирования и оценки опасности столкновений КА с телами, входящими в состав
космического мусора, рекомендовано использовать значение средней относительной
скорости 10 км-с"1, при этом средняя плотность техногенных частиц принимается
равной 4,0 г-см"3 [5].
На рис. 1.20.3 приведены расчетные значения времени жизни микрочастиц в
ОКП в зависимости от их размера и начальной высоты [И]. Видно, что продолжи-
тельность нахождения частиц в ОКП со-
кращается с уменьшением их размера.
Вместе с тем, данные, приведенные на
рис. 1.20.2, показывают, что количество
техногенных частиц в области низких
околоземных орбит возрастает с умень-
шением их диаметра. Это свидетельству-
ет о высокой интенсивности источников
мелких частиц, например, частиц А120з,
чешуек краски и т. д.
Одним из механизмов увеличения по-
пуляции космического мусора в ОКП
являются взаимные столкновения техно-
генных объектов. На рис. 1.20.4 приведе-
ны результаты расчета числа техногенных
частиц разных размеров, образующихся
524
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
за счет действия указанного механизма в интервале высот 900-1100 км в течение
года [12]. Рисунок показывает, что при столкновениях образуются преимуществен-
но мелкие частицы.
1.20.1.2. Модели и стандарты потоков твердых частиц в космическом
пространстве
Модели потоков твердых частиц, как и модели других составляющих космиче-
ской среды (плазмы, потоков электронов и ионов высоких энергий и др.), представ-
ляют собой совокупность некоторых физических положений и математических
средств, позволяющих описывать наиболее важные характеристики рассматриваемых
составляющих и закономерности пространственно-временных вариаций этих харак-
теристик. Применительно к потокам твердых частиц как естественного, так и искус-
ственного происхождения модели должны описывать прежде всего распределение
частиц по массам (размерам), зависимость плотности потока от высоты, изменения
плотности потока на коротких и длительных временных интервалах.
С помощью моделей решаются различные научные и прикладные задачи. В пер-
вую очередь, на их основе рассчитываются вероятности столкновения космических
объектов. Второй важнейшей задачей модельных расчетов является прогнозирование
изменения количества техногенных объектов в разных областях ОКП. Для решения
этой задачи в моделях задаются характеристики механизмов генерации и удаления
техногенных объектов, а также закономерности изменения указанных механизмов.
При решении прогностических задач часто требуется привлечение вспомогательных
моделей, например, модели фрагментации космических тел при соударении, модели
разлета осколков после их образования, модели торможения объектов в верхней ат-
мосфере Земли и др.
В последние годы разработан ряд новых моделей, позволяющих оценивать и про-
гнозировать потоки техногенных частиц для разных орбит и производить расчетные
оценки возможных повреждений поверхности и элементов открытого оборудования
КА в результате ударных воздействий [13].
В нашей стране создана и успешно используется модель, известная в междуна-
родной практике как SDPA (Space Debris Prediction and Analysis) [14, 15]. На ее осно-
ве создан государственный стандарт (см. подробнее гл. 3.6).
Под эгидой Европейского космического агентства разработана модель MASTER
(Meteoroid And Space debris Terrestrial Environment Reference model) [16], включаю-
щая описание как метеорных тел, так и космического мусора. В США разработаны
модели ORDEM (Orbital Debris Engineering Model) [17] и EVOLVE [18]. Первая, как
следует из ее названия, предназначена для проведения инженерных расчетов и реали-
зуется на персональных компьютерах средней производительности. Вторая модель
используется преимущественно для составления долгосрочных прогнозов изменения
(эволюции) степени засоренности ОКП космическим мусором и требует для ее реа-
лизации более высоких вычислительных мощностей.
Все модели и стандарты основываются на экспериментальных данных о потоках
метеорных тел и искусственных объектов в ОКП и обновляются по мере поступления
дополнительных данных.
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
525
1.20.2. Методы исследования метеорной материи и космического мусора
Полнота и достоверность данных о количестве, размерах и пространственном
распределении искусственных космических объектов определяются, прежде всего,
техническим уровнем средств наблюдения.
Данные о количестве и параметрах метеорных тел, вторгающихся в атмосферу
Земли, получают на основании наблюдений создаваемых ими светящихся следов -
метеоров, которые уже упоминались выше. Визуальные наблюдения следов дают
информацию о метеорных телах с массами более 10"3-10"2 г.
Поскольку метеорный след ионизован, он может наблюдаться также с помощью
радиолокаторов, регистрирующих отражение радиосигналов от следа. Применение
радиолокаторов позволяет снизить нижний предел масс регистрируемых частиц до
10-7-10"6г. Кроме того, радиолокационные наблюдения обеспечивают получение
информации круглосуточно вне зависимости от погоды.
Более мелкие метеорные частицы регистрируются с помощью различных детек-
торов, устанавливаемых на КА [19]. Физические принципы работы таких детекторов,
их параметры и конструктивные особенности будут рассмотрены далее.
Достаточно крупные техногенные объекты также регистрируются с помощью на-
земных оптических и радиолокационных средств. При этом, в отличие от метеорных
тел, наблюдаются, естественно, сами объекты. Наблюдения сгорания в атмосфере
искусственных объектов сравнительно редки и обычно планируются заранее, как это
было, например, при контролируемом спуске с орбиты станции «Мир».
Наземные оптические телескопы позволяют достаточно уверенно наблюдать
на околоземных орбитах объекты диаметром более 5-10 см, хотя известны отдель-
ные оптические наблюдения космических объектов с поперечными размерами
1-2 см [20,21].
Большая часть используемых в настоящее время наземных радиолокационных
средств позволяет надежно обнаруживать объекты с минимальными размерами в
5-20 см на высоте -500 км. Мощный радарный комплекс Haystack/НАХ (США, штат
Массачусетс), первая очередь которого была введена в строй в 1990 г., позволяет на-
блюдать осколки диаметром даже несколько менее 1 см [22].
Наблюдение искусственных объектов на геостационарной орбите облегчается не-
подвижностью объектов относительно наземного наблюдателя. Поэтому, несмотря
на значительную удаленность орбиты, с помощью интегрирующих многоимпульс-
ных радаров и современных электронно-оптических средств удается наблюдать гео-
стационарные объекты размером менее 1 м [23, 24].
Оптические и радиолокационные средства наблюдения техногенных объектов, а
также применяемые для этих целей лазерные локаторы - лидары - могут устанав-
ливаться и на КА, в том числе на пилотируемых орбитальных станциях. В этом
случае возможна регистрация объектов размером -1 мм на расстояниях свыше
100 км [25].
Основной объем информации о потоках техногенных микрочастиц в ОКП полу-
чен на основании лабораторного исследования возвращенных на Землю после пре-
бывания в космосе фрагментов наружной обшивки КА, солнечных батарей (СБ) или
526
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
образцов материалов. В результате анализа элементного состава остатков вещества
микрочастиц в кратерах, образованных ударами, удается идентифицировать частицы
естественного и искусственного происхождения. Первые такие результаты были по-
лучены после обследования ряда фрагментов ИСЗ Solar Мах, доставленных на Землю
в апреле 1984 г. экипажем корабля «Space Shuttle» после пребывания ИСЗ на около-
земной орбите более 4-х лет [26]. Позднее подобные исследования были проведены с
помощью ряда других ИСЗ.
На ИСЗ LDEF (Long Duration Exposure Facility), находившемся на орбите высотой
-450 км более 5,5 лет (1984-1990), были установлены мишени из различных мате-
риалов [27]. На ИСЗ EURECA (European Retrievable Carrier), возвращенном на Землю
в середине 1993 г. после 324 дней пребывания на орбите высотой около 500 км, ис-
пользовались специальные ловушки микрочастиц. Кроме того, были тщательно об-
следованы СБ этого ИСЗ [28].
В 1994 г. была доставлена на Землю солнечная батарея КА HST (Hubble Space
Telescope), работавшая в космосе более 3,5 лет [29]. СБ размером 6,0 х 1,3 м была
возвращена также с орбитальной станции «Мир» (1998) после ее функционирования
на орбите более 10 лет. Послеполетные исследования этой батареи, проводившиеся
российскими и американскими учеными, позволили получить обширный материал о
воздействии на нее твердых частиц и других факторов [30, 31].
Для регистрации микрочастиц искусственного происхождения, как и для регист-
рации микрометеорных частиц, используются бортовые приборы КА, данные кото-
рых непосредственно передаются по телеметрическим каналам либо записываются в
бортовые компьютеры. Достоинством таких приборов является возможность полу-
чения информации о пространственно-временном распределении потоков твердых
частиц. Подобные измерения, выполненные в последние годы, позволили устано-
вить, что потоки техногенных микрочастиц распределены в ОКП весьма неравно-
мерно [32-34].
Таблица 1.20.1
Основные типы и параметры ускорителей твердых частиц
Тип ускорителя Масса частиц, кг Скорость, км-с 1
Газовые пушки 10"3 1-10
Электромагнитные пушки 1(Г3 0,5-10
Ускорители с использованием взрывающихся проволочек кг"-кг* 1-10
Взрывные ускорители с использованием кумулятивных зарядов 105-10“3 1-10
Плазменные ускорители 10"’ 10-20
Лазерные ускорители I0’6 10-20
Электростатические и линейные ускорители 1013-10"17 10-100
Ускорители с бегущей магнитной волной с использованием явления сверхпроводимости 10"6 100-1000
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
527
В первых приборах для измерения потоков твердых микрочастиц, устанавливав-
шихся на космических ракетах и ИСЗ, в качестве чувствительных элементов исполь-
зовались пьезоэлектрические датчики. Анализ результатов измерений показал, что
такие датчики дают достаточно много ложных срабатываний, обусловленных изме-
нениями их температуры. Позднее стали разрабатываться и применяться в космиче-
ских экспериментах приборы, действие которых основано на регистрации эмиссии
электронов и ионов, возникающей при высокоскоростном ударе, масс-спектрометри-
ческих исследованиях состава эмитируемых ионов, регистрации световых вспышек и
других физических явлениях. В некоторых случаях для более точного определения
параметров микрочастиц производится одновременная регистрация нескольких эф-
фектов, сопровождающих высокоскоростной удар. Более детальное описание таких
приборов дано ниже в разд. 1.20.5.
1.20.3. Методы ускорения твердых частиц
1.20.3.1. Основные типы ускорителей твердых частиц
В лабораторных экспериментах по изучению воздействия на материалы и обору-
дование КА частиц естественного и искусственного происхождения используются
ускорители разных типов, сведения о которых приведены в табл. 1.20.1 [35].
В зависимости от целей и задач проводимых исследований производится выбор
ускорителя того или иного типа, при этом главными критериями являются диапазоны
масс и скоростей ускоряемых частиц. Помимо этого, безусловно приходится учиты-
вать технико-экономические характеристики ускорителей.
По принципу действия все ускорители, указанные в табл. 1.20.1, можно разделить
на несколько групп. К первой группе отнесем ускорители, в которых частицы уско-
ряются с помощью быстро движущегося поршня. При этом в одних ускорительных
установках поршень может присутствовать в явном виде как элемент конструкции,
на котором размещаются ускоряемые частицы, а в других установках роль поршня
выполняет струя нейтрального газа или плазмы.
Типичными ускорительными установками этого класса являются газовые пуш-
ки [36, 37]. В таких пушках рабочий газ подвергается сжатию за счет взрыва порохо-
вого заряда, а затем, расширяясь, толкает в трубе разгона (стволе) поршень-обойму с
ускоряемыми частицами либо непосредственно ускоряемый ударник. При использо-
вании обоймы она отделяется от ускоряемых частиц на выходе из ствола. Для повы-
шения скорости газовой струи в подобных установках используются легкие газы
(обычно водород), поэтому часто используется термин «легкогазовые пушки».
К первой группе относятся также ускорители с использованием взрывающихся
проволочек и плазменные ускорители. В этих ускорителях производится взрывооб-
разное формирование плазменного сгустка за счет пропускания мощного импульса
электрического тока через проволочку либо через газовый промежуток. Необходимая
для этого электрическая энергия предварительно накапливается в конденсаторной
батарее. Расширяющаяся плазма воздействует на поршень или непосредственно на
ускоряемые частицы.
528
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
В эту группу входят взрывные ускорители, в том числе использующие для повы-
шения скорости частиц кумулятивные заряды. Частицы обычно располагаются на
поверхности взрывчатого вещества и разгоняются взрывной волной.
К первой группе условно можно отнести и лазерные ускорители, хотя принцип их
действия весьма своеобразен. В таких ускорителях короткий импульс мощного ла-
зерного излучения воздействует на помещенную в вакуумную камеру частицу (кусо-
чек фольги), которая может быть закреплена на прозрачной подложке [38, 39]. За
счет поглощения энергии лазерного излучения частица получает механический им-
пульс, а кроме того, при достаточной мощности импульсного излучения она может
разогреваться до температуры испарения вещества, что создает дополнительный ме-
ханизм реактивного ускорения.
Ко второй группе отнесем электромагнитные пушки разных видов, общий прин-
цип работы которых основан на взаимодействии проводника, через который про-
пускается электрический ток, с магнитным полем [40]. При этом ускоряемый снаряд
выполняет роль подвижного проводника. Интересным развитием этого принципа
является предложенная схема построения ускорителей с бегущей магнитной волной с
использованием явления сверхпроводимости. В таких ускорителях предполагается
использовать в качестве разгоняемого снаряда сверхпроводящую дейтериевую час-
тицу с циркулирующим в ней круговым электрическим током. Движение частицы в
ускоряющей системе должно происходить синхронно с распространением магнитной
волны, энергия которой обеспечивает ускорение частицы.
Наконец, к третьей группе отнесем обычные электростатические и линейные
ускорители, используемые в ядерно-физических исследованиях для ускорения
электронов и ионов. Своеобразие применения этих ускорителей для работы с твер-
дыми частицами определяется намного большими по сравнению с ионами значе-
ниями массы твердых частиц и их заряда, который предварительно должен быть
сообщен ускоряемым частицам каким-либо способом.
Применение электростатических и линейных ускорителей, как видно из
табл. 1.20.1, обеспечивает достижение достаточно высоких скоростей частиц. Пара-
метры ускоренных частиц легко контролируются и не изменяются в процессе их
движения от источника к мишени. Кроме того, исследования на электростатических
и линейных ускорителях проводятся в чистых вакуумных условиях, что важно при
изучении возникающих в зоне соударения физических явлений. Основным недостат-
ком данных ускорителей при работе с твердыми частицами являются малые массы
ускоряемых частиц.
Линейные ускорители, работающие на переменном напряжении, принципиально
могут быть сделаны достаточно компактными. В таких ускорителях амплитуда на-
пряжения, прикладываемого к электродам, составляет -100 кВ, вследствие чего не
предъявляются высокие требования к электрической изоляции установок. Однако
при использовании в рассматриваемых задачах линейных ускорителей, как и упо-
минавшихся выше ускорителей с бегущей магнитной волной, остро встает проб-
лема синхронизации, т. е. обеспечения попадания частицы в нужную фазу пере-
менного напряжения на каждом ускоряющем промежутке. При ускорении твердых
частиц решение этой проблемы сопряжено со значительными трудностями. Поэто-
ГЛАВА 1 20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
529
му до настоящего времени для работы с твердыми частицами используются глав-
ным образом ускорители, работающие на постоянном напряжении (ускорители
прямого действия).
Далее рассмотрим более подробно некоторые виды ускорителей твердых частиц.
1.20.3.2. Электростатический метод ускорения твердых частиц
В НИИЯФ МГУ для ускорения твердых микрочастиц используются электроста-
тические ускорители двух типов: генератор Ван-Де-Граафа и каскадный генератор,
для которых общий диапазон ускоряющих напряжений составляет 0,2-4,0 МВ
[19, 32,41-43].
Ускоряются преимущественно металлические частицы: Al, Cr, Fe, Ni, Си, Mo, W,
Ti и др., но возможно и ускорение диэлектрических частиц при нанесении на них
тонких проводящих покрытий. Поперечные размеры ускоряемых частиц лежат в
интервале 0,5-10 мкм. Для таких частиц при указанных ускоряющих напряжениях
достигаются скорости от 0,1 до 30 км-с"1. При этом скорость частицы зависит от ее
размера и плотности: при фиксированном ускоряющем напряжении более мелким и
легким частицам сообщаются более высокие скорости. Интенсивность потока частиц
может регулироваться в пределах от 0,1 до 100 частиц-с"1.
Принцип электростатического ускорения твердых микрочастиц не отличается от
общеизвестного принципа ускорения ионов. Для осуществления такого ускорения
твердой частице, как уже отмечалось, необходимо каким-либо способом сообщить
электрический заряд. В НИИЯФ МГУ разработан специальный инжектор [44], в ко-
тором заряжение микрочастиц происходит при контакте с вольфрамовой иглой, на-
ходящейся под потенциалом +(10-15) кВ. После контакта с иглой заряженная части-
в ускоритель
Рис. 1.20.5. Конструкция инжектора
микрочастиц
ца вводится в ускорительную трубку и далее
попадает в экспериментальную камеру, где
располагаются бомбардируемые мишени и
датчики аппаратуры, регистрирующей эффек-
ты взаимодействия частицы с мишенью.
Конструкция инжектора представлена на
рис. 1.20.5. На внутреннюю поверхность цен-
трального сферического электрода, показан-
ного на рис. 1.20.5 темным цветом, помеща-
ются металлические частицы, которые при
наличии электрического поля между верхним
и средним электродами совершают хаотиче-
ское движение в межэлектродном простран-
стве. В процессе такого движения частицы
попадают на вольфрамовую иглу заряжающе-
го электрода, приобретают при контакте с
иглой электрический заряд того же знака и
затем выбрасываются электрическим полем
заряжающего электрода через коллиматор в
ускорительную трубку.
530 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Максимальный заряд, который может быть сообщен ускоряемой частице, лими-
тируется процессами автоэлектронной (при отрицательном заряжении частицы) либо
автоионной (при положительном заряжении) эмиссии. Критические значения напря-
женности электрического поля, при достижении которых возникают указанные
эмиссионные процессы, составляют 109В*м-1 и 1010В-м-1 соответственно. Исходя
из этого критерия, в экспериментах обычно используются положительно заряжен-
ные частицы.
Максимальный заряд, сообщаемый частице при контактном заряжении, определя-
ется выражением:
(/max = ЛЕо^тах, (1.20.1)
а максимальная скорость, приобретаемая частицей в электрическом поле заряжающе-
го электрода, - выражением:
=3,5Veo£maxt//(t/p)> (1.20.2)
где Е0 - электрическая постоянная; U - потенциал на ускоряющем электроде; d, р -
диаметр и плотность материала частицы; Етах - максимальная напряженность
электрического поля на поверхности частицы после ее отделения от заряжающего
электрода.
Из приведенного выражения видно, что при ограничении заряда частицы эмисси-
онным током vmax ос t/1/2, а в отсутствие такого ограничения vmax ос U.
Обычно используется второй режим ускорения, при котором справедливо сле-
дующее выражение для скорости частицы:
V » (7л/2£0л2 /(Rdp), (1.20.3)
где R - радиус заряжающего электрода.
Это выражение как раз и показывает характер зависимости скорости частицы от
ее размера и плотности - более высокие скорости достигаются для легких частиц.
Рис. 1.20.6. Система селекции частиц по скоростям
ГЛАВА 1 20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
531
Такая зависимость скорости частиц от их массы также может быть отнесена к недос-
таткам электростатического метода ускорения. Для его устранения используются
различные методические приемы и технические средства.
В описываемых экспериментах на ускорителях используется быстродействующая
электростатическая система селекции частиц по скоростям, позволяющая пропускать
в экспериментальную камеру частицы со скоростями, укладывающимися в заданный
диапазон [19, 32]. Система селекции, состоящая из двух индукционных датчиков и
электростатического затвора, устанавливается между выходным концом ускоритель-
ной трубки и экспериментальной камерой.
Схема системы селекции представлена на рис. 1.20.6. Проходя через кольцевые
датчики, ускоренная металлическая частица индуцирует на них импульсы напряже-
ния, которые после усиления подаются на блок измерения временных интервалов.
При фиксированном расстоянии между кольцевыми датчиками это позволяет опре-
делять скорость частиц. Сведения об измеренных скоростях частиц подаются на бы-
стродействующий процессорный блок, где происходит сопоставление измеренных
скоростей с установленными границами интервала пропускания. Если значение из-
меренной скорости не укладывается в заданный интервал, процессорный блок подает
команду, закрывающую электростатический затвор, в результате чего частица не
проходит в экспериментальную камеру.
По амплитуде импульса с кольцевых
датчиков измеряется заряд частиц, на ос-
новании которого и данных о скорости
частиц рассчитывается их масса. Таким
образом, имеется возможность определе-
ния параметров каждой ускоренной час-
тицы. Для записи параметров частиц в
установке используется многомерный ам-
плитудный анализатор, с помощью кото-
рого можно, в частности, измерять рас-
пределение частиц по скоростям на выхо-
де из ускорительной трубки.
На рис. 1.20.7 показаны полученные
таким методом скоростные спектры час-
тиц, измеренные непосредственно на вы-
ходе из ускорительной трубки (а) и после
прохождения электростатического затвора
(б). Здесь на оси абсцисс указаны номера
скоростных интервалов, а на оси орди-
нат - число частиц в каждом интервале.
Видно, что на выходе из электростати-
ческой трубки частицы имеют достаточно
широкое распределение по скоростям. Это
обусловлено, с одной стороны, разбросом
размеров микрочастиц, помещаемых в
инжектор, а с другой стороны - статисти-
500
Рис. 1.20.7. Спектры скоростей ускоренных
микрочастиц на выходе из ускорительной
трубки (а) и после прохождения
системы селекции (б)
532
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
ческим характером заряжения частиц при контакте их с заряжающим электродом
инжектора. Использование описанной системы селекции позволяет бомбардировать
исследуемые образцы частицами со скоростями, лежащими в выбранном достаточно
узком скоростном интервале.
Изменение скоростей бомбардирующих частиц может осуществляться разными
способами. Основным способом является изменение ускоряющего напряжения, при-
кладываемого к ускорительной трубке. Помимо этого используется изменение ско-
ростного интервала пропускания частиц, задаваемого в системе селекции, а также
изменение режима заряжения частиц в инжекторе.
С помощью описанной системы селекции может быть осуществлен также отбор
частиц по величине их заряда, непосредственно связанной с размером частиц и, сле-
довательно, - с их массой. При таком отборе в логическое устройство направляется
информация об амплитуде импульса, индуцируемого на кольцевом датчике. Эта ам-
плитуда сопоставляется в логическом устройстве с заданными граничными значе-
ниями заряда частиц.
Поскольку в некоторых физических исследованиях наличие у частиц электриче-
ского заряда является нежелательным, ускоритель снабжен устройством нейтрали-
зации заряда, которое устанавливается после системы селекции. Нейтрализация
собственного положительного заряда ускоренной частицы осуществляется путем
пропускания ее через облако электронов, создаваемое накаленной спиралью. Регу-
лируя ток накала спирали, можно изменять плотность электронного облака и тем
самым обеспечивать полную или частичную нейтрализацию заряда ускоренной
твердой частицы.
Электростатическим методом можно ускорять и жидкие частицы. Мелким жид-
ким капелькам может быть сообщен большой удельный заряд, что принципиально
позволяет достигать высоких скоростей частиц. В НИИЯФ МГУ с участием специа-
листов МАИ был создан экспериментальный макет такого ускорителя [45].
Аналогия между случаями ускоре-
Рис. 1.20.8. Аналогия между случаями ускорения
твердых и жидких частиц
ния твердых и жидких частиц иллюст-
рируется рис. 1.20.8. Капельки жид-
кости формируются на конце иглы с
капиллярным каналом. Процесс фор-
мирования в значительной степени
зависит от напряжения на игле: при
значениях напряжения U~ 8-10 кВ на
выходе из капилляра образуется силь-
но вытянутая коническая капля, от
конца которой отделяются мелкие за-
ряженные капельки (рис. 1.20.9) [45].
При некоторых режимах заряжения
может происходить электростатиче-
ский взрыв достаточно крупных ка-
пель во время их движения в ускоря-
ющей системе. Такой случай условно
отображен на рис. 1.20.8.
ГЛАВА 1 20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
533
WliJHHU
Рис. 1.20.9. Формирование капель на конце капилляра при разных значениях
приложенного напряжения
Как показали выполненные исследования, основным недостатком электростати-
ческого ускорителя при работе с жидкими частицами является значительная потеря
исходного заряда частиц в процессе их ускорения, что ограничивает значения скоро-
стей частиц.
1.20.3.3. Испытательные стенды на базе баллистических газовых установок
Установки этого класса обычно называют газовыми пушками. В таких пушках
рабочий газ подвергается сжатию каким-либо способом, в частности за счет взрыва
порохового заряда, а затем, расширяясь, толкает в трубе разгона (стволе) поршень-
обойму с ускоряемыми частицами либо непосредственно ускоряемый ударник. При
использовании обоймы она отделяется от ускоряемых частиц на выходе из ствола.
Для повышения скорости газовой струи в подобных установках используются легкие
газы (обычно водород), поэтому, как уже указывалось, их часто называют легкогазо-
выми пушками.
Рис. 1.20.10. Принципиальная схема легкогазовой пушки
НИИ механики МГУ: 1 - камера сгорания пороха; 2 - поршневой
ствол; 3 - камера высокого давления; 4 - сменный баллистический
ствол; 5 - заряд пороха; 6 - гильза с отверстиями; 7 -затвор;
8 - электровоспламенитель; 9 - поршень; 10 - конический
переходник; 11 - канал поршневого ствола;
12 - канал баллистического ствола
Принципиальная схема легкогазовой пушки НИИ механики МГУ показана на
рис. 1.20.10 [37,46]. Пушка состоит из камеры сгорания пороха 1, поршневого ство-
ла 2, камеры высокого давления 3 и сменного баллистического ствола 4. Заряд поро-
ха 5 размещен на оси камеры 1 в гильзе 6 с отверстиями. В казенной части камеры 1
установлен затвор 7 с электровоспламенителем 8 для поджигания заряда пороха. Ка-
мера сгорания пороха соединена с одним из концов поршневого ствола 2 длиной 5 м.
Диаметр поршневого канала ствола составляет 50 мм. Входная часть ствола 2 пред-
назначена для размещения поршня 9 длиной 0,25 м из полиэтилена высокого давле-
ния. Второй конец поршневого ствола с помощью резьбового соединения скреплен с
534
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
камерой высокого давления 3. Осевое отверстие в камере 3 имеет два цилиндриче-
ских участка, соединенных коническим переходником 10 с углом конусности 8°.
Диаметры цилиндрических каналов камеры 3 равны соответственно диаметрам кана-
лов поршневого 11 и баллистического 12 стволов.
Камера высокого давления 3 рассчитана для работы при давлении -2-109 Н-м”2.
Выходная часть камеры 3 снабжена узлом для присоединения баллистического ство-
ла 4 установки и разделительной мембраны 13. Мембрана изготовлена из нержавею-
щей стали и имеет нарезы, обеспечивающие ее раскрытие при избыточном давлении
0,3-108 Н-м”2. Калибровка мембраны осуществляется с помощью гидравлического
пресса. Баллистический ствол имеет длину 3,3 м при диаметре канала 12,7 мм. Спе-
циальный поддон 14 с метаемыми частицами размещается в баллистическом стволе 4
вблизи от мембраны.
Монтаж метательного устройства для проведения эксперимента производится по-
сле предварительной юстировки аэробаллистической трассы с помощью лазера. По
лучу лазера устанавливают баллистический ствол, камеру высокого давления и
поршневой ствол. Испытуемые образцы размещаются в камере, устанавливаемой на
выходе баллистической установки.
Для измерения скорости метаемых тел в стандартном варианте описываемой лег-
когазовой пушки используется времяпролетный метод, реализуемый с помощью двух
пар светодиод - фотодиод, генерирующих сигналы при пересечении метаемым телом
светового луча. На данной установке была применена также система измерения ско-
ростей частиц с помощью индукционных бесконтактных датчиков, подобная исполь-
зуемой на электростатических ускорителях НИИЯФ МГУ.
Описанная установка, в которой сжатие газа осуществляется с помощью подрыва
порохового заряда, обеспечивает достижение скоростей ~6 км-с”1 для метаемых тел с
массой до 1 г.
1.20.3.4. Ускорение металлических частиц лазерным излучением
В ИМЕТ РАН создана ускорительная установка на основе импульсного
(т = 10-50 нс) рубинового лазера, обеспечивающего плотность мощности излучения
на мишени 107-109 Вт-см”2 [38]. Ускоряемые частицы - кусочки металлической
фольги диаметром 300-350 мкм и толщиной от 1,5 до 15 мкм - закрепляются на про-
зрачной подложке внутри вакуумной камеры. Лазерное излучение фокусируется че-
рез входное окно и подложку на поверхность частицы. Ускорение обеспечивается за
счет действия двух физических механизмов: сообщения частице механического им-
пульса при поглощении лазерного излучения и реактивного ускорения, возникающе-
го вследствие испарения материала с сильно нагретой поверхности частицы.
Первый механизм в чистом виде действует только в начальный момент отделения
частицы от подложки, а реактивный - при значительном удалении от нее. Между
этими крайними случаями существует некоторая переходная область, в которой оба
механизма действуют совместно. Следует учитывать, что при таком методе ускоре-
ния частица в полете может терять значительную часть исходной массы.
Впервые идея ускорения твердых частиц с помощью лазера была выдвинута в ра-
боте [47], где оценивалась возможность ускорения частиц реактивной струей при
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
535
рассмотрении их движения как тел с переменной массой. Практическая реализация
такого способа ускорения описана в [48].
Использование в [38] прозрачной подложки при ускорении частицы позволяет
существенно (на 1-2 порядка) повысить давление на границе раздела с одновремен-
ным укорачиванием импульса сжатия, что в конечном итоге обеспечивает увеличе-
ние скорости частиц.
Рассчитанные зависимости скорости частицы от плотности поглощенной мощ-
ности лазерного излучения приведены на рис. 1.20.11а. Расчет выполнен для алю-
миниевого диска диаметром 300 мкм при различных его толщинах и длительности
импульса излучения 50 нс. Реактивное ускорение становится преобладающим при
достижении скоростей ~8 км-с-1. Как уже отмечалось, в этом режиме ускорения про-
исходит интенсивное испарение частиц. Для получения более высоких скоростей
необходима точная установка оптимальных значений энергии и длительности
импульса. Незначительное отклонение от
оптимальных величин приводит к резкому
снижению скорости частицы либо к пол-
ному ее испарению. Например, диск из А1
толщиной ~15 мкм при плотности потока
энергии 2,0-109 Вт-см-2 разгоняется до ско-
рости 17,2 км-с-1, но при этом доля испа-
ренной массы составляет 0,99.
Влияние мощности излучения на эф-
фективность ускорения удобно характе-
ризовать долей г| исходной энергии из-
лучения, переходящей в кинетическую
энергию частицы. Изменение этой вели-
чины при варьировании мощности излу-
чения в диапазоне 107-109 Вт-см-2 пока-
зано на рис. 1.20.116. Плавное увеличение
коэффициента г| с увеличением мощности
излучения происходит до некоторого мак-
симального значения, после чего проис-
ходит его резкое уменьшение. Это связано
с большой потерей массы частицы в ре-
зультате испарения. Максимальное зна-
чение г| растет с увеличением исходной
толщины частицы и для всех толщин соот-
ветствует примерно одной и той же ско-
рости —2,3 км-с-1, однако, как видно из
рис. 1.20.11 б, оно не превышает 0,15.
На основании результатов проведенных
исследований можно констатировать, что
существуют два противоречивых требова-
ния, которым должна удовлетворять уско-
Рис 1.20.11. Зависимость скорости частицы
v (а) и коэффициента т| (б) от плотности
поглощенного потока энергии
при различных толщинах ускоряемой
частицы, [мкм]: 1 - 15,3; 2 - 2,75;
3-1,9; 4 -1,6; 5-1,5; 6-1,4
536
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
ряемая частица для достижения максимальных скоростей. С одной стороны, для пре-
дотвращения полного сгорания частицы при высоких значениях мощности излучения
необходимо увеличивать ее толщину. С другой стороны, увеличение толщины части-
цы и мощности потока излучения приводит к возникновению недопустимо высоких
давлений и разрушению частицы. Повышение мощности излучения ограничено так-
же оптической прочностью подложки.
1.20.4. Физические явления при высокоскоростном ударе
1.20.4.1. Преобразование энергии и состояние вещества в области соударения
твердых тел
Физические закономерности процессов, возникающих при высокоскоростном
соударении твердых тел, и методы их математического описания достаточно полно
изложены в [49-51].
Частицы космического мусора либо метеорные частицы при указанных выше ха-
рактерных скоростях относительно КА- 10-20 км-с”1 обладают удельной кинетиче-
ской энергией -107-108 Дж-кг”1 или -10-300 эВ-атом-1. При ударах таких частиц о
твердую мишень энерговыделение в области соударения происходит очень быстро -
за время -1О”8-1О”10 с, что позволяет считать процесс адиабатическим. В области
соударения, линейные размеры которой близки к размерам бомбардирующей части-
цы, происходит сжатие вещества до давления ~10и-1012 Па, порождающее ударные
волны как в мишени, так и в самой частице.
Ударная волна распространяется в веществе со скоростью, превышающей ско-
рость звука. При этом на фронте ударной волны происходит скачкообразное измене-
ние параметров вещества, подчиняющееся законам сохранения массы, импульса и
энергии.
Будем характеризовать исходное состояние вещества перед фронтом ударной
волны значениями давления Ро, плотности р0 и удельной внутренней энергии £0, а
состояние сжатого вещества за фронтом ударной волны - соответственно параметра-
ми Pi, ph щ. При распространении в веществе ударной волны со скоростью U пере-
мещение вещества за фронтом ударной волны характеризуется массовой скоростью
щ, а для вещества перед фронтом ударной волны массовая скорость w0 = 0.
С использованием указанных параметров законы сохранения описываются с по-
мощью известных уравнений Ренкина-Гюгонио:
pol/ = p1(l/-w1),
Р'-Р^РьЩ, (1.20.4)
^0Wl “ Ро^((^1 “ ^о) W1
Используя понятия удельного объема вещества Ио = 1 /р0 и = 1 /рь из приве-
денных уравнений нетрудно получить уравнение ударной адиабаты, называемой
также адиабатой Гюгонио:
е,-е0 + (1.20.5)
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
537
Ударная адиабата позволяет определить параметры вещества за фронтом ударной
волны при известных исходных параметрах и термодинамических характеристиках
вещества.
Параметры ударной адиабаты для различных материалов измеряются экспе-
риментально, при этом наиболее надежно измеряемыми величинами обычно явля-
ются скорость ударной волны U и массовая скорость за фронтом ударной вол-
ны щ. В этой связи часто используется линейная аппроксимация ударной адиабаты
вида:
U = c0+sux, (1.20.6)
где со - скорость распространения упругих волн в материале; s - константа мате-
риала.
При такой аппроксимации по изменениям угла наклона адиабаты удобно опреде-
лять фазовые переходы вещества. Параметры ударной адиабаты для ряда материалов
приведены в табл. 1.20.2.
Таблица 1.20.2
Параметры ударной адиабаты для некоторых материалов
Материал p, кг-м"3 Co, м-с”1 5
Fe 8 870 4330 1,55
Ti 4540 4810 1,10
Al 2780 5320 1,34
Si 2330 4800 1,25
Из проведенного рассмотрения следует, что при ударном сжатии вещества проис-
ходит его необратимый нагрев за фронтом ударной волны, т. е. энтропия системы
возрастает. Этим ударная адиабата отличается от обычной (адиабаты Пуассона),
классическим примером условий реализации которой является медленное расшире-
ние и сжатие идеального газа в термически изолированном объеме.
При достижении ударной волной поверхности мишени, противоположной точке
удара, или, как говорят, при выходе ударной волны на свободную поверхность в ми-
шени начинает распространяться обратная волна разрежения (разгрузки), являющая-
ся обычной упругой волной. Процесс разгрузки сжатого вещества носит изоэнтропи-
ческий характер. Совместный анализ ударной адиабаты и изоэнтропы, характери-
зующей процесс разгрузки ударно сжатого вещества, позволяет найти полную и
внутреннюю энергию, передаваемую веществу ударной волной. Интенсивность
ударной волны обычно характеризуется отношением (Р\- Ро)/ Ро- Из уравнения
ударной адиабаты следует, что для интенсивных ударных волн при Px^>Pq полная
переданная веществу энергия распределяется поровну между кинетической энергией
и внутренней энергией, определяемой в этом случае выражением:
е1-е0=|/’(К0-^). (1.20.7)
538
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Внутренняя энергия твердого вещества разделяется на две существенно различ-
ные составляющие: упругую и тепловую. Первая составляющая, определяемая сила-
ми взаимодействия между атомами вещества, зависит только от параметра р (или
К= 1/р). Вторая составляющая непосредственно связана с энергией теплового дви-
жения атомов (ядер) и электронов. В соответствии с этим она, в свою очередь, может
быть разделена на две части. Энергию теплового движения электронов обычно при-
нимают во внимание только при температуре Т> 104 К.
Приведенные выше соотношения справедливы как для вещества мишени, так и
для вещества бомбардирующей частицы. Параметры этих веществ в общем случае
различны. Соответственно, будут отличаться величины внутренней энергии, пере-
данной мишени и частице. Результаты выполненных расчетов показывают, что от-
личия переданной энергии, обусловленные свойствами материалов, обычно не пре-
вышают одного порядка величины. Абсолютное же значение переданной энергии
зависит, прежде всего, от скорости соударения, т. е. от исходной кинетической
энергии, выделяющейся в области соударения.
На рис. 1.20.12 показаны рассчитанные
Рис. 1.20.12. Зависимость е/екнн (а)
и Етепл (б) от скорости частицы v при
ударах о различные мишени
для частицы железа зависимости доли ис-
ходной кинетической энергии частицы
Екин, переходящей в ее внутреннюю энер-
гию £ (а), и внутренней тепловой энергии
Етепл (б) от скорости соударения с мише-
нями, изготовленными из разных мате-
риалов [52]. На рис. 1.20.126 на оси орди-
нат отмечены значения удельной теплоты
плавления гпл и удельной теплоты парооб-
разования гк, что позволяет судить о ско-
ростях удара, при которых начинаются
указанные процессы.
Таким образом, можно констатировать,
что плавление вещества начинается при
скоростях удара более 2-3 км-с”1. При
меньших скоростях возможны лишь про-
цессы деформации и механического раз-
рушения частицы и мишени. Испарение
вещества, сопровождающееся частичной
термической ионизацией образующегося
пара, начинается при скоростях удара вы-
ше 10-15 км-с"1, а при скоростях выше
20-25 км-с”1 процесс термической иониза-
ции идет очень интенсивно, в результате
чего из области соударения выбрасывает-
ся облако плазмы, имеющей температуру
~104 К.
Представление об энергетических за-
тратах на процессы, происходящие в об-
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
539
Таблица 1.20.3
Относительные затраты энергии на различные процессы
Процесс Екин> %
Нагрев, включая плавление и испарение:
частицы 5-10
мишени 20-25
Дробление 10-25
Выброс осколков 40-50
Ударная ионизация < 1
Световая вспышка < 1
ласти удара, дает табл. 1.20.3, где приведены усредненные расчетно-эксперименталь-
ные данные, полученные при скоростях удара ~10 км-с”1.
К настоящему времени разработаны эффективные численные методы решения
уравнения состояния вещества в области удара, позволяющие рассчитывать для раз-
ных моментов после соприкосновения тел трехмерные картины распределения веще-
ства, находящегося в различных фазовых состояниях [53]. Результаты таких расчетов
дают информацию о процессах образования кратеров в мишенях, процессах выброса
осколков, расплава и плазмы из области удара и т. п. В числе первых работ такого
рода следует особо отметить расчеты, выполненные российскими учеными в начале
1980-х гг. при подготовке упоминавшегося выше космического эксперимента по изу-
чению кометы Галлея с помощью КА «Вега-1» и «Вега-2» [54]. Сейчас, при резко
возросшей производительности компьютеров, подобные расчеты проводятся доста-
точно широко.
1.20.4.2. Образование кратеров в мишени
Рассмотренные выше энергетические соотношения показывают, что параметры
кратера, образуемого в мишени ударом частицы, зависят в первую очередь от скоро-
сти частицы и, соответственно, от совокупности процессов, протекающих при задан-
ной скорости.
Кинетическая энергия бомбардирующей частицы становится достаточной для
преодоления предела упругости материалов при скоростях ~0,1-0,3 км-с”1. В этом
случае при ударе частица заметно деформируется, а на поверхности мишени из пла-
стичного материала (металла) образуется вмятина с отношением глубины к диаметру
HID< 0,1.
По мере увеличения скорости частицы последовательно достигаются указанные
выше пороговые скорости для процессов плавления (2-3 км-с”1), парообразования
(10-15 км-с”1) и интенсивной термической ионизации паров (20-25 км-с”1). В соот-
ветствии с этим изменяется конфигурация кратера. Расплавленный материал выдав-
ливается из кратера и при застывании образует вокруг него валик (бруствер). Глуби-
на кратера увеличивается до HID- 1, а дно кратера приобретает полусферическую
540
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
форму. Испарение вещества из области удара носит
взрывной характер, при котором растет диаметр крате-
ра Z), а глубина Н изменяется незначительно.
В общем случае, при достаточно высокой скорости
бомбардирующей частицы, в области удара вещество
присутствует одновременно в твердом, жидком и газо-
образном состояниях, причем пар может быть сильно
ионизован. Схематически образование кратера в пла-
стичной мишени изображено на рис. 1.20.13. На этом
рисунке обозначены процессы выброса фрагментов ве-
щества, эмиссии заряженных частиц и квантов элек-
тромагнитного излучения, а также показаны остатки
бомбардирующей частицы на дне кратера.
Основные виды механических повреждений пла-
стичной мишени, возникающих при высокоскорост-
Рис. 1.20.13. Схема
образования кратера
в пластичной мишени
ном ударе, представлены на рис. 1.20.14. В верхней части рисунка показан случай
Рис. 1.20.14. Возможные
механические повреждения
пластичной мишени при
высокоскоростном ударе
образования кратера, характеризуемого диаметром
D и глубиной Н, в достаточно толстой мишени. Да-
лее показан сквозной пробой мишени с образовани-
ем в мишени отверстия диаметром Do. В нижней
части рисунка показано образование откола на зад-
ней поверхности мишени толщиной L вследствие
растяжения материала волной разрежения, уходя-
щей от задней поверхности.
На рис. 1.20.15 показан кратер диаметром
~50 мкм в металлическом образце, экспонировав-
шемся на внешней поверхности станции «Мир»
[55]. Видно, что конфигурация реального кратера
может быть существенно более сложной. Часто
вокруг основного кратера могут образовываться
вторичные кратеры за счет диссипации возникаю-
щих при высокоскоростном соударении ударных
волн на структурно-фазовых неоднородностях ма-
териала [56].
Получено много эмпирических и теоретических
соотношений для описания связи параметров, харак-
теризующих повреждения мишени, с параметрами
бомбардирующей частицы [5, 57, 58]. Здесь приве-
дем лишь наиболее простые и часто используемые
выражения.
Отношение глубины кратера Н к диаметру частицы d, плотность материала ко-
торой рч, а скорость v, определяется следующим образом:
4=ад А
а
(1.20.8)
ГЛАВА 1 20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
541
Рис. 1.20.15. Кратер в металлическом образце
от удара космической частицы
где к = 0,3-0,6; а= 1/3-1/2; р = 2/3 Значения параметров к, а, Р зависят от свойств
материала мишени и рассматриваемого диапазона скоростей удара.
Подобное выражение может быть использовано и для определения отношения
D/d. На рис. 1.20.16 показана область значений D/d для разных скоростей удара v,
полученная при варьировании параметров в расчетном выражении [58].
Диаметр отверстия в тонкой (£/</< 0,5) мишени определяется с помощью выра-
жения:
-2- = 2,4— - +0,9, (1.20.9)
d a\d)
где а - скорость звука в материале мишени.
Откольную пластину, отделяющуюся от задней поверхности мишени, принято ха-
рактеризовать диаметром, который обычно составляет (2-3) Л, и толщиной, лежащей
в интервале (0,1-0,5) L,
Процесс образования кратеров в хрупких материалах, в значительном количестве
присутствующих на поверхности КА (защитные стекла СБ, линзы оптических уст-
ройств, иллюминаторы и т. п.), более сло-
жен. Для описания кратера, образованного
ударом быстрой частицы о хрупкую ми-
шень, обычно используются два значения
диаметра кратера:
• диаметр центральной впадины Dp’,
• диаметр Dc, определяемый по макси-
мальному размеру кольцевых трещин,
которые образуются в хрупкой мише-
ни вокруг центральной впадины.
В некоторых случаях для описания по-
перечных размеров кратера используются и
другие параметры, например, диаметр Ds,
определяемый по максимальному разлету
осколков, выброшенных из кратера.
Рис. 1.20.16. Зависимость отношения
диаметра кратера D к диаметру
частицы d от скорости частицы v
542
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
а
Однако этот параметр обычно мало отли-
чается от значения Dc, измерение которого,
как правило, производится более надежно.
Для определения диаметров кратера Dp и
Dc используются следующие эмпирические
выражения:
D,=0Jdp42/3pM''V5. (1.20.10)
Dc = (2-5) Dp, а для определения глубины
кратера Н- выражение:
б
Рис. 1.20.17. Кратеры в кварцевом
стекле, образованные ударами
металлических микрочастиц со
скоростью ~8 км-с"1
H = 0,6d
Рч
\Рм 7
у2/3
(1.20.11)
где d - диаметр бомбардирующей частицы;
Рч, Рм - плотность вещества частицы и ми-
шени; v - скорость соударения.
На рис. 1.20.17 представлены изображе-
ния кратеров, полученных в лабораторных
экспериментах при бомбардировке кварце-
вых стекол металлическими микрочастицами.
Эти рисунки наглядно иллюстрируют спра-
ведливость описания диаметра кратера в
хрупкой мишени приведенными выше пара-
метрами.
На рис. 1.20.17а отчетливо видна цент-
ральная область кратера, по которой определяется его диаметр Dp. От центральной
области расходятся радиальные трещины, окруженные кольцевыми трещинами, по
которым, как указывалось выше, определяется диаметр кратера Dc. На рис. 1.20.176
также хорошо видна центральная область, которая здесь выглядит светлой вследст-
вие иных условий освещения при фотографировании мишени. Радиальные трещины
в данном случае выражены менее отчетливо. Однако здесь хорошо видны выброшен-
ные из кратера осколки, по внешней
границе зоны выброса которых опреде-
ляется диаметр кратера Ds.
На рис. 1.20.18 показана микрофо-
тография кратера на поверхности за-
щитного стекла фотоэлектрического
преобразователя (ФЭП), возвращенно-
го со станции «Мир». Общая структура
кратера подобна наблюдавшейся в ла-
бораторных экспериментах.
Некоторые экспериментальные дан-
ные, характеризующие зависимость па-
Рис. 1.20.18. Кратер в защитном стекле ФЭП
раметров кратеров в хрупких мишенях
ГЛАВА 1 20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
543
Зависимость параметров кратеров в хрупких мишенях
от параметров бомбардирующих частиц
Таблица 1.20.4
Скорость частиц v, км-с"1 Диаметр частиц d, см Глубина кратера Я, см Hid Dcld D„ld
6 4,0-10"4 1,0-Ю"4 3,3 1,4
6 3,4-1 О’4 5,0-10"’ 0,1 2,9 1,4
7 3,3-Ю-4 9,0-10-’ 0,3 3,0 1,5
9 2,0-1 0"* 1,1-10“* 0,5 3,0 1,4
10 1,8-10“* 9,0-10-’ 0,5 3,5 1,6
13 1,4-10-* 1,0-1 О’4 0,7 3,4 1,7
14 1,1-10“* 7,0-10“’ 0,6 3,2 1,7
7 6,0-10’2 1,0-10-' 1,7 41,0 -
7 6,0-10’2 1,0-10“' 1,8 44,8 -
5 4,0-10’2 1,2-10-' 3,1 38,8 -
7 6,0-10~2 1,3-10-' 2,2 52,0 -
7 4,0-10’2 1,3-10-' 3,3 40,0 -
6 8,0-10"2 1,4-10"' 1,8 47,5 -
6 4,0-Ю’2 1,5-10"' 3,8 47,0 -
7 1,0-10-' 1,8-10-' 1,8 44,9 —
(в качестве основного материала мишени рассматриваются кварцевые стекла) от па-
раметров бомбардирующих частиц, приведены в табл. 1.20.4 [59].
На рис. 1.20.19 показана полученная с помощью электронного микроскопа фото-
графия нескольких кратеров, образованных ударами частиц Ti разных размеров о
Рис. 1.20.19. Кратеры, образованные в пластине Ge ударами Ti частиц
с поперечными размерами d ~ 0,5-1,5 мкм и скоростями v ~ 4-6 км-с-1
544 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
Ge-мишень. Хорошо видно, что при ударах мелких частиц образования сколов и
кольцевых трещин, по которым определяются размеры кратера Ds и DCi не происхо-
дит. В то же время можно отметить, что процесс образования сколов носит вероятно-
стный характер. Таким образом, параметры кратеров, образующихся в хрупких ми-
шенях, имеют значительный разброс даже при весьма близких условиях взаимодей-
ствия бомбардирующих частиц с мишенью.
1.20.4.3. Ударные воздействия на тонкие пленки и конденсаторные датчики
Тонкопленочные конструкции различного назначения широко применяются на
современных КА, а конденсаторные датчики на основе тонких пленок используются
для регистрации и измерения параметров твердых микрочастиц естественного и ис-
кусственного происхождения [60]. Ниже представлены результаты лабораторных
исследований ударных воздействий на тонкопленочные структуры «металл-диэлект-
рик-металл» (МДМ), используемые в качестве детекторов микрочастиц.
Образцы, представлявшие собой полимерные пленки толщиной 2-20 мкм с напы-
ленными с обеих сторон металлическими электродами, толщина которых составляла
20-50 нм, бомбардировались на электростатическом ускорителе НИИЯФ МГУ час-
тицами Al, Fe, W диаметром 1-5 мкм со скоростями 0,1-10 км-с"1. Сквозной пробой
таких структур наблюдался визуально с помощью микроскопа.
На рис. 1.20.20 показан фрагмент МДМ-структуры со сквозными отверстиями,
образованными множественными ударами ускоренных микрочастиц.
Для оценки условий сквозного пробивания пленки получено много эмпирических
соотношений, подобных (1.20.8), при некотором варьировании входящих в формулу
коэффициентов в зависимости от параметров бомбардирующих частиц и мишеней
(см., например, [58, 61, 62]). С этой целью можно использовать также баллистическое
уравнение в виде, приведенном в гл. 3.6.
В проведенных экспериментах были получены зависимости амплитуды сигнала
МДМ-детекторов от скорости и массы бомбардирующих частиц для двух режимов
работы: в отсутствие сквозного пробоя структуры (режим ударного сжатия диэлек-
трика) и при сквозном пробое. В общем случае зависимость амплитуды А сигнала
МДМ-детектора от массы т и скорости v регистрируемой частицы описывается со-
отношением
Рис. 1.20.20. Фрагмент
лавсановой пленки после
бомбардировки частицами А1
на электростатическом
ускорителе
A = CmaJ, (1.20.12)
где С, а, р - константы, зависящие от свойств мате-
риалов частицы и мишени и скорости удара.
Для выявления раздельного влияния на амплиту-
ду сигнала скорости и массы частицы проводилась
нормировка амплитуды по этим параметрам. Полу-
ченные зависимости и A/v=j{m) приве-
дены на рис. 1.20.21.
На основании экспериментальных данных по-
лучены значения параметров в уравнении (1.20.8):
а = 0,28 ±1; р = 1,8 ± 0,1 (для h = 2 мкм, линии 1, 2)
и а = 0,65 ±0,1; р = 1,56 ± 0,1 (для h = 4 мкм, линии
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
545
Рис. 1.20.21. Зависимости нормированной амплитуды сигнала МДМ-детектора
от скорости (а) и массы (б) частицы без пробоя (1, 3) и при пробое (2, 4)
3, 4) - в случае отсутствия сквозного пробоя, а при сквозном пробое а = 0,25 ±0,1;
р = 0,92 ±0,1, и а = 0,65 ±0,1; р = 1,31 ± 0,1 для тех же значений h соответственно.
Отметим, что для обеспечения при измерениях одинаковой напряженности электри-
ческого поля в образцах МДМ-структур к ним прикладывались разные напряжения:
100 В при h = 2 мкм и 200 В при h = 4 мкм.
Характер зависимостей, представленных на рис. 1.20.21, указывает на одинако-
вый механизм возникновения проводимости диэлектрика - ударное сжатие и разо-
грев, как в случае сквозного пробоя, так и в его отсутствие.
1.20.4.4. Исследование воздействия ударов микрочастиц на солнечные батареи КА
Традиционно рассматриваемым механизмом деградации СБ в результате бомбар-
дировки их микрометеорными частицами и частицами космического мусора является
снижение прозрачности защитных стекол за счет образования на их поверхности кра-
теров, трещин и царапин [63]. При этом предполагается, что степень снижения про-
зрачности пропорциональна суммарной площади поврежденных участков защитных
стекол. На основании данных о флюенсах частиц и размерах образующихся кратеров
можно показать, что суммарная площадь поврежденных участков в течение года со-
ставит -0,1% от общей поверхности СБ. Если полагать, что снижение мощности СБ
составит такую же величину, то данный вид деградации СБ можно считать не пред-
ставляющим серьезной опасности. Реально коэффициент пропускания поврежденных
участков защитных стекол снижается всего лишь на 20-30%, т. е. ухудшение харак-
теристик СБ составит еще меньшую величину.
Вместе с тем, анализ ухудшения характеристик СБ упоминавшихся выше отече-
ственных КА «Вега-1» и «Вега-2» при прохождении ими газопылевой оболочки ядра
кометы Галлея показал, что снижение мощности СБ составило значительно большую
величину по сравнению с величиной, определяемой только на основании учета
ухудшения прозрачности защитных стекол ФЭП [64]. Это дало основание предполо-
жить, что помимо ухудшения оптических характеристик защитных стекол существу-
ет дополнительный механизм деградации СБ, в результате действия которого проис-
546
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
ходит повреждение п-р переходов ФЭП. Таким механизмом является воздействие на
п-р переход ударной волны, распространяющейся из области соударения частицы с
поверхностью защитного стекла ФЭП. Именно действием этого механизма в [64]
было объяснено наблюдавшееся различие между экспериментальными данными о
снижении мощности СБ КА «Вега-1» и «Вега-2» и оценками, сделанными на основа-
нии представлений об ухудшении оптических характеристик защитных стекол.
Проведенные в [64] исследования механизма повреждения п-р перехода ФЭП
ударной волной показали, что он достаточно эффективен и при более низких скоро-
стях удара, соответствующих средним скоростям соударения с поверхностью СБ ме-
теорных частиц (20 км-с"1) и техногенных частиц (10 км-с'1).
В основе рассматриваемого физического механизма лежат представления о про-
цессах образования кратера непосредственно на поверхности кремниевой пластины
ФЭП, протекание которых приводит к повреждению п-р перехода. Наиболее важным
из этих процессов является плавление полупроводниковой пластины на глубинах
залегания п-р перехода (доли микрометра), в результате чего может происходить
шунтирование п-р перехода или даже его короткое замыкание.
При бомбардировке твердыми микрочастицами ФЭП с защитными стеклами име-
ет место более сложный случай взаимодействия, при котором ударная волна форми-
руется в области соударения частицы с поверхностью защитного стекла и далее рас-
пространяется в глубь ФЭП, проходя границу раздела «внутренняя поверхность за-
щитного стекла - поверхность кремниевой пластины ФЭП». На границе раздела
происходит расщепление исходной ударной волны на две составляющие, одна из
которых отражается от этой границы, а другая распространяется через нее в глубь
кремниевой пластины. Очевидно, что в этом случае энергия сформированной на по-
верхности защитного стекла ударной волны должна быть достаточной для протека-
ния процесса плавления Si в приповерхностной области самого ФЭП, где располага-
ется п-р переход.
При расчете многослойных структур удобно использовать понятие акустического
сопротивления материала: G = р£/, где р - плотность материала рассматриваемого
слоя, U - скорость распространения ударной волны в слое. С помощью этого пара-
метра записываются выражения, устанавливающие связь между давлением в импуль-
се сжатия в первом слое Р\, давлением в отраженном от границы слоев импульсе Р0Гр
и давлением в импульсе, прошедшем во второй слой Р2-
^=G2~Gi Ъ = 2G2 (1.20.13)
Рх G2+Gx Рх G2+Gx
где Gi и G2 - акустическое сопротивление материалов первого и второго слоев соот-
ветственно.
Из приведенных соотношений видно, что при G2<< G\ происходит почти полное
отражение импульса сжатия от границы раздела слоев, а при G2 = Gj импульс полно-
стью передается через границу раздела.
На основании таких представлений нетрудно сделать вывод о том, что для воз-
никновения шунтирования п-р перехода ФЭП, снабженного защитным стеклом,
значения размера и скорости бомбардирующих частиц должны быть выше некото-
рых пороговых величин, при достижении которых начинается плавление кремние-
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
547
вой пластины и образование кратера в
ФЭП. В [64] выполнен расчет пороговых
значений диаметра частиц и их скорости,
соответствующих началу действия указан-
ного физического механизма повреждения
ФЭП, снабженных защитными стеклами.
Результаты такого расчета приведены на
рис. 1.20.22.
Лабораторные исследования данного
механизма повреждения ФЭП, проведенные
на электростатическом ускорителе НИИЯФ
МГУ, и данные натурного эксперимента в
целом подтвердили справедливость сделан-
ных теоретических оценок [65].
На рис. 1.20.23 показаны изменения
вольт-амперных характеристик ФЭП СБ в
результате одиночных ударов твердых час-
тиц, зарегистрированные в лабораторном
эксперименте и в натурных условиях. На
рис. 1.20.23а приведены характеристики до
показаны вольт-амперные характеристики нескольких ФЭП СБ, возвращенной со
станции «Мир». Характеристики 1, 2 относятся к преобразователям, не получившим
существенных повреждений, а характеристики 3, 4 свидетельствуют о шунтировании
п-р перехода преобразователей в результате ударов твердых частиц.
Полученные данные позволяют сделать прогноз деградации характеристик СБ за
счет рассмотренного физического механизма. Расчеты для фрагмента СБ с защитным
стеклом толщиной 155 мкм показывают, что за счет воздействия частиц космическо-
го мусора в области низких околоземных орбит потери мощности могут достигать
1% в год [65].
Рис. 1.20.22. Зависимость отношения
порогового значения диаметра частиц
<71юр к толщине защитного стекла L
от скорости частиц v: 1 - вещество
с р = 1 г-см'3; 2 - алюминий;
3 - титан; 4 - железо
и после (2) улаоа. На оис. 1.20.236
Рис. 1.20.23. Зарегистрированные изменения вольт-амперных характеристик ФЭП СБ:
а - в лабораторном эксперименте; б - в натурных условиях
548
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
1.20.4.5. Эмиссия заряженных частиц и электромагнитное излучение из области
высокоскоростного удара
Явление эмиссии электронов и ионов при соударении твердых частиц с мишенью
положено в основу работы различных приборов, используемых на КА для регистра-
ции и измерения параметров метеорных частиц и частиц космического мусора, а
также в лабораторных экспериментах с ускоренными твердыми частицами [19, 41].
По величине суммарного электронного или ионного заряда, эмитируемого при со-
ударении, можно судить о скорости и массе регистрируемой частицы, а спектр масс
эмитируемых ионов дает, кроме того, информацию о химическом составе частицы и
физико-химических процессах, протекающих при ударном сжатии и нагревании ве-
щества в области соударения частицы с мишенью. В то же время возникающая при
ударе импульсная эмиссия заряженных частиц может создавать помехи работе раз-
личных бортовых устройств КА.
Основным механизмом образования электронов и ионов, эмитируемых из области
удара, является термическая ионизация паров вещества, интенсивность которой
растет с увеличением скорости соударения. Для описания зависимости суммарного
эмитируемого заряда Q от массы и скорости бомбардирующей частицы v получено
эмпирическое выражение, подобное (1.20.12).
Подобие формул, используемых для описания различных процессов, протекаю-
щих при высокоскоростном ударе, не является случайным, поскольку их интенсив-
ность определяется исходной кинетической энергией бомбардирующей частицы и
закономерностями преобразования энергии в области соударения.
На рис. 1.20.24 показана полученная в лабораторных экспериментах зависимость
величины удельного (на единицу массы бомбардирующей частицы) эмитируемого
ионного заряда от скорости соударения при
бомбардировке частицами А1 и Сг серебря-
ной мишени. Видно, что регистрируемый
заряд претерпевает значительные вариации,
которые обусловлены вероятностным ха-
рактером наблюдаемых процессов, а также
несферичностью использованных в экспе-
риментах частиц и несовершенством по-
верхности мишени.
Помимо механизма термической иони-
зации паров вещества, некоторый вклад в
величину эмитируемого заряда могут да-
вать и другие механизмы: поверхностная
ионизация, механоэмиссия и т. п. За счет
этого регистрируемый отрицательный (элек-
тронный) заряд обычно несколько больше
ионного [66-68].
Рис. 1.20.24. Зависимость удельного
эмитируемого ионного заряда
от скорости бомбардирующих частиц
При использовании электростатического метода ускорения частиц действует спе-
цифический дополнительный механизм возникновения эмиссии, связанный с нали-
чием у ускоренной твердой частицы собственного электрического заряда. В этом
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
549
102 10 1 1 v, км-с 1
Рис. 1.20.25. Зависимость удельного
эмитируемого электронного заряда
от скорости бомбардирующих частиц
при v < 10 км-с-1
случае при сближении налетающей части-
цы с мишенью на расстояние, меньшее
диаметра частицы d, между частицей и
мишенью происходит электрический раз-
ряд. Ток разряда вызывает сильный ло-
кальный разогрев вещества частицы и ми-
шени до температуры Г~ 103-104 К, что
обеспечивает эмиссию электронов и ионов
даже при скоростях удара ниже 2 км-с"1,
т. е. ниже пороговой скорости начала
плавления вещества при ударе.
Проведенные в НИИЯФ МГУ иссле-
дования позволили установить, что ука-
занный электроразрядный механизм
эмиссии достаточно эффективен [69, 70].
На рис. 1.20.25 представлена зависимость
от скорости частицы удельного электрон-
ного заряда Q~ 1т, полученная в диапазоне скоростей бомбардирующих частиц
v ~ 0,03-10 км-с"1. На этом рисунке цифрами 1-3 указаны характерные интервалы
скоростей, в которых действуют различные механизмы эмиссии:
• при скоростях удара v< 1 км-с"1 (интервал 1) эмиссия обусловлена наличием у
бомбардирующей частицы собственного электрического заряда;
• в интервале скоростей 2 действует как механизм эмиссии, связанный с собст-
венным зарядом частицы, так и механизм, обусловленный преобразованием
кинетической энергии частицы;
• в интервале 3 механизм, обусловленный преобразованием кинетической энер-
гии частицы, становится преобладающим.
Подтверждение эффективности механизма эмиссии, связанного с возникновением
электрического разряда между подлетающей частицей и мишенью, получено и при
изучении масс-спектров эмитируемых ионов.
На рис. 1.20.26 приведены две масс-спектро-
граммы, полученные при бомбардировке мишени из
Nb частицами Сг. Верхние кривые на обеих масс-
спектрограммах являются записью сигнала, сни-
маемого с мишени, который отражает процесс ин-
дукции заряда на мишени подлетающей микрочас-
тицей. Спектры получены для частиц с близкими
скоростями 265 и 250 м-с"1 соответственно, а заряд
частицы для нижней спектрограммы был в 2 раза
больше (3,5-10"13и 7,0-10"13 Кл). Однако, несмотря
на большую величину заряда второй частицы, ниж-
няя масс-спектрограмма содержит меньшее число
линий, нежели верхняя масс-спектрограмма. Это
обусловлено более высокой в первом случае интен-
Рис. 1.20.26. Масс-спектры
ионов при возникновении
эмиссии за счет электрического
разряда с частицы на мишень
550
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
сивностью электрического разряда, возникающего при сближении заряженной час-
тицы с мишенью.
Следует отметить, что космические частицы естественного и искусственного про-
исхождения также могут иметь достаточно значительный электрический заряд, обра-
зующийся за счет воздействия на них окружающей плазмы и солнечного ультрафио-
летового излучения. Поэтому при создании приборов для проведения измерений в
космосе и при обработке результатов космических экспериментов нужно учитывать
возможность протекания эмиссионных процессов как за счет кинетической энергии
регистрируемых частиц, так и за счет их потенциальной энергии, обусловленной на-
личием электрического заряда.
Нагретое до высокой температуры вещество в области удара является также ис-
точником электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн. Неодно-
кратно проводились лабораторные эксперименты по регистрации световых вспышек
при высокоскоростном ударе. Было установлено, что зависимость интенсивности
вспышки от массы и скорости частицы аналогична приведенной выше зависимости
эмитируемого заряда Q от указанных параметров. Это опять-таки объясняется общи-
ми закономерностями преобразования энергии в области удара.
Известны эксперименты и по регистрации в радиодиапазоне излучения, сопро-
вождающего высокоскоростной удар. Так, японскими учеными с помощью высоко-
чувствительного приемника были выполнены измерения радиоизлучения на частотах
2-20 ГГц, возникавшего при ударах нейлоновых шариков с массой около 0,2 г и ско-
ростью 4 км-с'1 о металлические мишени [71]. Оказалось, что энергия регистри-
руемого излучения составляет ничтожную долю (-3-10'18) от кинетической энергии
бомбардирующей частицы. Тем не менее предполагается использовать подобные
приемники в космических условиях для регистрации ударов твердых частиц о по-
верхность КА.
1.20.4.6. Инициирование ударами твердых микрочастиц электрических разрядов
в вакууме и в диэлектриках
На внешней поверхности современных КА располагается значительное количе-
ство оборудования, работающего при напряжениях от единиц до десятков кило-
вольт: детекторы и спектрометры заряженных частиц, ионные и плазменные двига-
тели, преобразователи энергии СБ, антенны телевизионного и связного оборудова-
ния и т. д. Для таких устройств космический вакуум является естественной
изолирующей средой. В связи с наметившейся в последние годы тенденцией созда-
ния негерметизированных КА, что выгодно как с точки зрения минимизации их
габаритно-весовых характеристик, так и с экономической точки зрения, количество
бортового оборудования, работающего в открытом космосе, будет возрастать. Это
повлечет за собой дальнейшее обострение проблемы возникновения электрических
разрядов на КА.
В оборудовании, находящемся на поверхности КА, могут возникать электриче-
ские разряды двух основных форм: газовый разряд и вакуумный разряд. При сравни-
тельно низком вакууме вероятность возникновения самостоятельного газового раз-
ряда между электродами определяется процессами в самом газе. Применительно к
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
551
анализу электрического разряда вакуум принято характеризовать произведением
давления газа р на длину разрядного промежутка /. Область наиболее низких напря-
жений зажигания самостоятельного газового разряда (минимум кривой Пашена) со-
ответствует значениям pl ~ 1-10 Па-м. Такие вакуумные условия вблизи поверхности
КА могут существовать в первые дни и даже недели после вывода КА на орбиту, в
течение которых идет процесс интенсивного обезгаживания КА.
При давлениях, соответствующих значениям pl < (3-5)-10-2 Па-м (граница левой
ветви кривой Пашена со стороны низких давлений), происходит переход от газового
разряда к разряду в вакууме, когда определяющими в возникновения разряда стано-
вятся процессы на электродах, а давление и состав остаточного газа играют роль
лишь в той мере, в какой от них зависит состояние поверхности электродов.
При ударах твердых микрочастиц об электроды или изоляторы высоковольтного
оборудования, функционирующего вне герметичных отсеков КА, эмитируемые из
области соударения электроны и ионы ускоряются электрическими полями в межэ-
лектродных промежутках оборудования и при попадании на электроды дают начало
новым вторично-эмиссионным процессам, что и приводит в конечном итоге к воз-
никновению электрического разряда (пробоя) в межэлектродном промежутке.
Физический механизм инициирования электрического разряда в вакууме ударом
твердой микрочастицы об электрод первоначально изучался в связи с конструирова-
нием электростатических ускорителей электронов и ионов [72]. При этом в качестве
инициирующей частицы рассматривалась металлическая частица, отрывающаяся от
одного из электродов и ускоряемая существующим в межэлектродном промежутке
электрическим полем.
Предполагалось, что удар частицы приводит к электрическому пробою при сле-
дующих условиях:
• кинетическая энергия частицы перед соударением с электродом достигает ве-
личины, достаточной для испарения частицы;
• количество образовавшихся паров в еще не расширившемся облаке должно
быть достаточным для зажигания в нем газового разряда, соответствующего
минимуму кривой Пашена;
• возникший слабый разряд перерастает в пробой только в том случае, если про-
дукты этого разряда, воздействуя на катод, создадут там условия для образова-
ния достаточно интенсивного источника электронов, например, нагреют какой-
то участок катода до появления заметной тсрмоэмиссии.
Очевидно, что в условиях космического пространства при высоких скоростях
ударов твердых частиц об электроды указанные условия будут выполняться с боль-
шей вероятностью по сравнению с рассматривавшимся случаем инициирования про-
боев в электростатических ускорителях. Проведенные лабораторные исследования
механизма инициирования электрических пробоев ударами твердых частиц подтвер-
дили его высокую эффективность [73].
На рис. 1.20.27 представлены результаты измерения в лабораторных экспери-
ментах вероятности инициирования электрического пробоя ударами ускоренных
микрочастиц. В эксперименте использовался плоский конденсатор с сетчатым
верхним электродом, сквозь который бомбардирующие частицы проникали к ниж-
552
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.20.27. Вероятность инициирования
электрического пробоя в вакуумном
промежутке при бомбардировке
сплошного электрода микрочастицами:
1 - при отрицательном напряжении
на сплошном электроде;
2 - при положительном напряжении
нему сплошному электроду. Исследования
проводились с использованием частиц
алюминия диаметром около 1 мкм при
скоростях частиц v~ 10 км-с”1 Здесь по
оси абсцисс отложено напряжение на ва-
куумном промежутке, а по оси ординат -
вероятность возникновения пробоя при
ударе. Видно, что вероятность иницииро-
вания пробоя достаточно велика, причем
она зависит от полярности напряжения,
приложенного к вакуумному высоковольт-
ному промежутку: при ударах частиц о
катод вероятность пробоев выше по срав-
нению со случаем ударов частиц об анод.
Такая зависимость хорошо согласуется с
рассмотренной выше физической картиной
развития пробоя.
В случае бомбардировки твердыми час-
тицами диэлектриков, подвергшихся облу-
Рис. 1.20.28. Электрические пробои
в радиационно-заряженном стекле,
вызываемые ударами микрочастиц
чснию электронами с энергией 1-5 МэВ, которая характерна для электронов радиа-
ционных поясов Земли (РПЗ), удары частиц могут инициировать электрические раз-
ряды в объеме диэлектрика, сопровождающиеся образованием характерных разряд-
ных фигур. В облученном диэлектрике образуется внедренный электронный заряд,
создающий электрическое поле между поверхностью диэлектрика и областью зале-
гания заряда. Инициирование разряда происходит за счет локального повышения
проводимости диэлектрика в области распространения ударной волны.
На рис. 1.20.28 показаны результаты лабораторного моделирования описанного
явления [70]. В этом эксперименте образец оптического стекла заряжался электрона-
ми с энергией ~1 МэВ при флюенсе -5-1012 см”2
и затем подвергался бомбардировке части-
цами алюминия с поперечными размерами
~1 мкм и скоростями около 3,0 км-с”1. В ре-
зультате такого воздействия в образце возник-
ли разрядные фигуры с выходом канала на
поверхность в точку удара микрочастицы.
Такое совместное, причем не обязательно
одновременное, воздействие на диэлектрики
электронов РПЗ и твердых микрочастиц мо-
жет являться причиной значительного уско-
рения ухудшения их механических и оптиче-
ских характеристик, что чрезвычайно важно
для анализа повреждений защитных стекол
СБ, линз оптических приборов, иллюмина-
торов и т. п.
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
553
1.20.5. Приборы для регистрации и измерения параметров быстрых
микрочастиц
В этом разделе рассмотрим детекторы, вырабатывающие электрический сигнал
при взаимодействии с ними твердых микрочастиц. Сигнал детектора может нести
информацию не только о факте попадания частицы, но и о ее параметрах, от которых
зависят амплитуда и форма сигнала. Преимуществом таких детекторов является, как
уже указывалось, возможность изучения с их помощью пространственно-временных
вариаций потоков частиц, а недостатком - относительно малая площадь чувстви-
тельной поверхности, что при низкой плотности измеряемых потоков требует прове-
дения длительных измерений для набора необходимой статистики. Достаточно пол-
ные сведения о принципах построения и конструкциях детекторов твердых микро-
частиц приведены в монографии [74].
Работа детектора может основываться на любом из рассмотренных выше физиче-
ских явлений, возникающих при ударе твердой микрочастицы о мишень. Поскольку
величина практически любого эффекта, вызываемого соударением микрочастицы с
поверхностью твердого тела, зависит, как это было показано выше на примерах обра-
зования кратеров и эмиссии электронов и ионов из зоны соударения, от двух пара-
метров воздействующей частицы - ее массы и скорости, при создании приборов сле-
дует стремиться к тому, чтобы их работа основывалась на двух-трех различных фи-
зических явлениях. В этом случае из экспериментальных данных возможно
независимое определение массы и скорости частиц.
В соответствии со спецификой физических явлений, лежащих в основе работы
детекторов, последние могут быть разделены на группы. Так, упоминавшиеся выше
пьезоэлектрические датчики реагируют на механическое воздействие. К детекто-
рам этой группы относятся также твердотельные и газонаполненные ячейки. В пер-
вом случае удар частицы вызывает резкое изменение электрического сопротивле-
ния ячейки, а во втором - создает сквозной пробой в тонкой стенке ячейки, что
влечет за собой выход газа из ячейки и замыкание связанных с ней электрических
контактов.
Наиболее совершенными детекторами, реагирующими на механическое воздейст-
вие, являются описанные в разд. 1.20.4.4 тонкопленочные конденсаторы. Такие де-
текторы вырабатывают сигналы на нагрузочном сопротивлении как при ударах, не
приводящих к сквозному пробою пленки, так и при сквозных пробоях. В отсутствие
пробоя импульс тока в электрической цепи возникает за счет резкого увеличения
проводимости диэлектрика при его ударном сжатии, а при пробое - за счет замыка-
ния обкладок конденсатора через сквозной проводящий канал. Важно, что даже при
сквозных пробоях датчик срабатывает многократно, так как при прохождении им-
пульса тока металлизация вокруг отверстия оплавляется и отходит от него, предот-
вращая тем самым стационарное замыкание обкладок.
Существует достаточно много разновидностей детекторов, в которых использует-
ся эффект преобразования кинетической энергии частицы во внутреннюю энергию
вещества. К этой группе относятся детекторы, работающие на основе возникновения
при ударе эмиссии электронов и ионов, световых вспышек, радиоизлучения, и неко-
торые другие.
554
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
При регистрации световых вспышек, вызываемых ударами твердых частиц, для
повышения их интенсивности можно использовать сцинтилляторы CsI(Tl) или
ZnS(Ag), применяемые в ядерно-физических исследованиях. Методы и технические
средства регистрации световых вспышек (фотоэлектронные умножители, фотодио-
ды), используемые в обоих случаях, во многом схожи. Продолжая эту аналогию,
укажем, что полупроводниковые детекторы, являющиеся в настоящее время одним
из главных инструментов при исследовании ионизирующих излучений, также могут
быть использованы для регистрации твердых микрочастиц, поскольку при интенсив-
ном ударном сжатии полупроводника в зоне проводимости образуется достаточное
количество неравновесных носителей заряда.
Наибольший интерес в числе детекторов данной группы представляют эмиссион-
ные детекторы, использовавшиеся в ряде космических экспериментов [75,76]. В
эмиссионных детекторах производится измерение полного электронного или ионного
заряда, эмитируемого из области соударения твердой частицы с мишенью. Заряд со-
бирается на расположенный вблизи мишени коллектор, подключенный к измери-
тельной цепи. В качестве коллектора часто используется металлическая сетка.
Для измерения очень малых эмитируемых зарядов (менее 10~14-10-15 Кл) можно
использовать вторично-электронные умножители (ВЭУ). При этом масса регистри-
руемых частиц может быть снижена до ~10"18кг. При использовании ВЭУ между
металлической мишенью, о которую ударяются твердые микрочастицы, и первым
динодом или экранирующей сеткой, часто устанавливаемой на входе ВЭУ, прикла-
дывается некоторое ускоряющее напряжение, полярность которого определяется
знаком заряда собираемых на динод частиц: электронов или положительных ионов.
Коэффициент усиления ВЭУ составляет -104-105.
Важной разновидностью эмиссионных детекторов являются времяпролетные
масс-спектрометрические преобразователи. Некоторые конструкции таких преобра-
зователей, разработанные специально для использования в космических эксперимен-
тах, и результаты их лабораторных испытаний описаны в [77, 78].
Рассмотренные выше детекторы твердых микрочастиц являются детекторами
контактного типа, т. е. они вырабатывают сигнал только при ударах частиц о чувст-
вительную поверхность. Существуют также и бесконтактные детекторы: индукцион-
ные и оптические. Применение первых возможно только при наличии у регистри-
руемых частиц электрического заряда. Оптические детекторы достаточно громоздки
и даже в случае искусственной подсветки регистрируемых частиц уступают по чув-
ствительности ионизационным детекторам [74].
В качестве примера построения комбинированного детектора рассмотрим прибор,
использовавшийся в первых измерениях потоков твердых микрочастиц естественно-
го и искусственного происхождения в области геостационарной орбиты [32, 43].
Схема прибора, построенного на основе двух тонкопленочных конденсаторных
датчиков MDM1 и MDM2, приведена на рис. 1.20.29.
В данном приборе имеется возможность измерения скорости частицы времяпро-
летным методом, если она пробивает верхний тонкопленочный датчик. Если пара-
метры частицы таковы, что сквозного пробоя верхнего датчика не происходит, час-
тица регистрируется по параметрам импульса верхнего датчика. Импульсы от верх-
него и нижнего конденсаторных датчиков регистрируются соответственно в каналах
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
555
Рис. 1.20.29. Схема прибора с двумя тонкопленочными конденсаторными датчиками
А1 и А2. Сетки, установленные вблизи поверхности конденсаторных датчиков, по-
зволяют измерять величины зарядов, эмитируемых при ударе (каналы АЗ и А4), что,
как уже указывалось, позволяет получить необходимый набор исходных данных для
независимого определения скорости и массы регистрируемой частицы.
Для устранения основного недостатка контактных детекторов - малой площади
их чувствительной поверхности - была предложена и теоретически обоснована
концепция создания малого КА, тонкопленочная оболочка которого является
МДМ-структурой, т. е. конденсаторным датчиком ударов микрочастиц, а внутри
оболочки установлен сферический коллектор для регистрации ионов при сквозном
пробое оболочки [79, 80].
Диаметр такого КА составляет около 10 м, при этом его чувствительная поверх-
ность может быть разделена на секции, что позволит получить более полную инфор-
мацию о пространственно-временных вариациях потоков регистрируемых частиц.
1.20.6. Принципы защиты космических аппаратов от воздействия
метеорных тел и космического мусора
Методы защиты КА от повреждающего воздействия ударов твердых тел, входя-
щих в состав метеорной материи и космического мусора, можно разделить на три
группы:
• инженерно-конструкторские методы обеспечения необходимой прочности эле-
ментов конструкции КА и создания защитных экранов;
• активные методы предотвращения столкновений КА с метеороидами и техно-
генными телами;
• меры организационно-правового характера, направленные на снижение уровня
засоренности ОКП техногенными объектами.
Наиболее разработанными и широко применяемыми являются инженерно-
конструкторские методы защиты КА, реализуемые на стадиях проектирования, изго-
товления и испытаний КА. Ключевой задачей является выбор конструкции и толщи-
ны стенок корпуса КА, исходя из требований обеспечения необходимого уровня за-
щиты КА при допустимых габаритно-весовых характеристиках конструкции.
556
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
Рис. 1.20.30. Схема защиты
с двумя экранами
Простейшим способом достижения высокого
уровня защиты является применение достаточно
толстых стенок, изготовленных из материалов, ус-
тойчивых к ударным воздействиям. Однако при
этом габаритно-весовые характеристики конструк-
ции часто оказываются неприемлемыми
Более эффективная защита КА может быть обес-
печена с помощью экранов, располагаемых с неко-
торым зазором относительно корпуса. При этом мо-
гут использоваться 2-3 экрана, между которыми
также имеются зазоры. Схема такой защитной кон-
струкции показана на рис. 1.20.30, где изображены
два защитных экрана толщиной L\ и L2 соответственно с зазором между ними S, рас-
положенные над стенкой корпуса КА.
Увеличение эффективности защиты обеспечивается за счет того, что при высоко-
скоростном соударении бомбардирующей частицы даже с относительно тонким пер-
вым экраном она разрушается. В результате на второй экран воздействует расходя-
щийся поток фрагментов частицы и пробитого экрана, которые могут находиться в
твердом, жидком и парообразном состоянии в зависимости от скорости соударения.
Ударное воздействие расходящегося потока значительно слабее по сравнению с ло-
кальным воздействием монолитной частицы.
Если расходящийся поток все же пробивает второй экран, процесс фрагментации
и расширения потока повторяется. Варьируя толщины экранов, свойства их материа-
лов и расстояние между экранами и защищаемым корпусом КА, можно добиваться
оптимальных условий ослабления ударного воздействия на корпус.
Имеется значительное количество результатов лабораторных исследований эф-
фективности экранов разных конструкций. В качестве примера на рис. 1.20.31 пока-
зан макет комбинированного защитного экрана, который был подвергнут испытани-
ям на легкогазовой пушке Научно-исследовательского института механики МГУ
[81]. Первый экран в данном случае представляет собой двухслойную конструкцию,
состоящую из стального листа толщиной около 1 мм и мелкоструктурной металличе-
ской сетки. В качестве второго экрана использована ме-
таллическая сетка другой структуры. Масса бомбарди-
рующей частицы составляла около 1 г, а скорость
~6 км-с-1.
Хорошо видно увеличение диаметра отверстия во
втором сетчатом экране по сравнению с первым экраном,
а также расширение зоны разлета фрагментов, воздейст-
вующих на толстую стенку, в которой, тем не менее, со-
храняется центральное ядро потока. В качестве основы
испытывавшегося лабораторного макета в данном случае
использован толстый блок полиметилметакрилата. В
отсутствие защитного экрана удар частицы с указанными
параметрами создает в таком блоке глубокие кратеры
(рис. 1.20.32).
Рис. 1.20.31. Макет
комбинированного
защитного экрана после
воздействия частицы
ГЛАВА 1 20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
557
а б
Рис. 1.20.32. Кратеры в толстой мишени из полиметилметакрилата
Существующие в настоящее время и разрабатываемые активные методы предот-
вращения столкновения КА с метеорными и техногенными телами основываются на
раннем обнаружении объектов, представляющих потенциальную опасность для КА,
и выполнении экстренного маневра КА либо воздействии на потенциально опасный
объект с целью изменения параметров его орбиты или уничтожения. В качестве ин-
струмента воздействия рассматриваются главным образом мощные импульсные ла-
зеры, излучение которых фокусируется и направляется в нужную область с помощью
зеркал [82]. Такой лазер может быть установлен как на самом защищаемом КА, так и
на автономном специализированном КА. В последнем случае возможно удаление
опасных объектов из обширных областей ОКП. Основной трудностью при создании
подобных систем является требуемая высокая мощность лазеров, что влечет за собой
необходимость создания соответствующих источников энергии на борту КА.
Меры организационно-правового характера, направленные на снижение уровня
засоренности ОКП техногенными объектами, рассмотрены в гл. 2.6.
ЛИТЕРАТУРА
1. Proceedings of the 1st Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 5-7 April 1993 (ESA SD-01)
2. Proceedings of the 2nd Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 17-19 March 1997 (ESA SP-393).
3. Proceedings of the 3rd Europ. Conf, on Space Debris, v. 1, 2, Darmstadt, Germany, 19-21 March 2001
(ESA SP-473).
4. Proceedings of the 4th Europ. Conf on Space Debris, Darmstadt, Germany, 18-20 April 2005 (ESA SP-587)
5. Drolshagen G. Meteoroid. Debris impact analysis application to LDEF, EURECA and COLUMBUS. In: Proc, of
the 1st Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 5-7 April 1993 (ESA SD-01), pp. 515-522.
6. Сагдеев P.3., Евланов E.H., Зубков Б.В. и др. Пылевая оболочка кометы Галлея по данным прибора
ПУМА. Космические исследования, 1987, т. 25, вып 6, с. 840-848.
7. Kessler D.J. Orbital debris environment. In: Proc, of the 1st Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Ger-
many, 5-7 April 1993 (ESA SD-01), pp. 251-262.
8. Thillot M., Breniere X., Midavaine T. Micro-satellite for space debris observation by optical sensors. In: Proc,
of the 3rd Europ. Conf, on Space Debris, ESOC, Darmstadt, Germany, 19-21 March 2001 (ESA SP-473),
v. l,pp. 169-173.
9. Bunte K.D., Klinkrad H., Drolshagen G. Populations for a divine-based space debris models. Ibid., pp 279-285.
10. Sdunnus H., Bendisch J., Klinkrad H. The ESA space debris and meteoroid reference model. Ibid., pp. 299-307.
11. Bariteau M., Mandeville J.-C. A modeling of EJECTA as a space debris source. Ibid., pp. 321-326.
558
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
РАЗДЕЛ 1
12. Potter А.Е. Early detection of collisional cascading. In: Proc, of the 1st Europ. Conf, on Space Debris, Darm-
stadt, Germany, 5-7 April 1993 (ESA SD-01), pp. 281-285.
13. Jehn R., Nazarenko A., Ihringer C., Walker R. Comparison of space debris models in the centimeter size range.
In: Proc, of the 2nd Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 17-19 March 1997 (ESA SP-393),
pp. 309-316.
14. Nazarenko A.I. The development of the statistical theory of a satellite ensemble motion and its application for
space debris modeling. Ibid., pp. 233-238.
15. Назаренко А.И., Чернявский Г.М. Моделирование загрязнения околоземного пространства. В кн.: Столк-
новения в околоземном пространстве (космический мусор). Под ред. Масевич А.Г. М.: Космосинформ,
1995, с. 104-129.
16. Sdunnus Н., Bendisch J., Klinkrad Н. The ESA MASTER’99 space debris and meteoroid reference model. In:
Proc, of the 3rd Europ. Conf, on Space Debris, ESOC, Darmstadt, Germany, 19-21 March 2001 (ESA SP-473),
v. l,pp. 299-307.
17. Liou J.-C., Matney M., Anz-Meador P., Kessler D.J., Jansen M., Theal J.R. The new NASA orbital debris en-
gineering model ORDEM2000. Ibid., pp. 309-313.
18. Johson N.L. Space debris modeling at NASA. Ibid., pp. 259-264.
19. Новиков Л.С. Частицы космического мусора в околоземном пространстве и методы их изучения. Ин-
женерная экология, 1999, № 4, с. 10-19.
20. Dick J.S.B., Bingham R.G., Walker D.D. Ground-based telescopes for the observation of space debris. In:
Proc, of the 1st Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 5-7 April 1993 (ESA SD-01), pp. 79-84.
21. Fluri W. Activities on space debris in Europe. In: Proc, of the 3rd Europ. Conf, on Space Debris, ESOC, Darm-
stadt, Germany, 19-21 March 2001 (ESA SP-473), v. 1, pp. 33-40.
22. Stansbery E.G., Settecerri T. A comparison of Haystack and HAX measurements of the orbital debris envi-
ronment. In: Proc, of the 2nd Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 17-19 March 1997
(ESA SP-393), pp. 59-63.
23. Zaitsev A.L., Ignatov S.P., Martino M., Montebugnoli S., Nabatov A.S. Proposal on centimetric space debris
radar detection in geostationary ring. In: Proc, of the 3rd Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany,
19-21 March 2001 (ESA SP-473), v. 1, pp. 79-81.
24. Jarvis K.S., Africano J.L., Sydney P.F., Stansbery E.G., Thumm T.L., Jorgensen K., Mulrooney M. Observa-
tions of the geosynchronous Earth orbital debris environment using NASA’s CCD Debris Telescope. Ibid.,
pp. 95-99.
25. Settecerri T.J., Beraun J.E. Laser debris sweeper for the space station Freedom. In: Proc, of the 1st Europ.
Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 5-7 April 1993 (ESA SD-01), pp. 471-477.
26. Potter A.E. Measuring debris. Aerospace America, 1988, No 6, pp. 18-22.
27. Mandeville J.C., Berthoud L. Orbital debris and meteoroids: results from retrieved space experiments. In: Proc,
of the 1st Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 5-7 April 1993 (ESA SD-01), pp. 201-205.
28. Aceti R., Drolshagen G., Gerlach L., Racca G. Meteoroid and debris investigation on EURECA. Ibid.,
pp. 215-222.
29. Herbert M.K., McDonnel J.A.M. Morphological classification of impacts on the EURECA & Hubble Space
Telescope solar arrays. In: Proc, of the 2nd Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 17-19 March
1997 (ESA SP-393), pp. 169-175.
30. Letin V.A., Gatsenko L.S., Deev I.S., Bakina E.A., Mlenkov A.V., Nikishin E.F. Structure and composition of
nonmetallic solar array materials retrieved after long term exposure overload the «Mir» orbital space station.
In: Protection of materials and structures from space environment (ICPMSE-6). Ed. by Kleiman J.I. and Is-
kanderova Z. Kluwer academic publishers, 2003, pp. 461-474.
31. Visentine J., Kinard W., Pinkerton R. et al. MIR solar array return experiment. AIAA 99-0100, 1999, pp. 1-10.
32. Novikov L.S., Voronov K.E., Semkin N.D. et al. Measurement of solid microparticle flux in geosynchronous
orbit. In: ESA Symp. Proc, on Environment Modelling for Space-based Applications, ESTEC, Noordwijk,
NL, 18-20 September 1996 (SP-392), pp. 343-348.
33. Drolshagen G., Swedhem H., Grun E., Grafodatsky O., Verhoturov V., Prokopiev Yu., Guselnikov V. In situ
measurement of cosmic dust and space debris in the geostationary orbit. In: Proc, of the 2nd Europ. Conf, on
Space Debris, Darmstadt, Germany, 17-19 March 1997 (ESA SP-393), pp. 129-134.
34. Maag C.R., Deshpande S.P., Johnson N.L. On the existence of debris clouds in the Space Station. Ibid.,
pp.201-205.
ГЛАВА 1.20 ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ...
559
35. Манзон Б.М. Ускорение макрочастиц для управляемого термоядерного синтеза. УФН, 1981, т. 134, №4,
с. 611-639.
36. Stilp A.J. Hypervelocity impact research. In: Proc, of the 2nd Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Ger-
many, 17-19 March 1997 (ESA SP-393), pp. 399-404.
37. Андреев Е.П., Пилюгин H.H., Таганов O.K., Тихомиров С.Г. Исследование излучения газов в аэробал-
листическом эксперимента. М.: Изд-во МГУ, 1988, 135 с.
38. Обухов Л.В., Янушкевич В.А. Метание макрочастиц с помощью гигантских импульсов ОКГ. ЖТФ,
1978, т. 48, № 12, с. 2559-2565.
39. Rumsby Р.Т., Michaelis М.М., Burgess М. Laser induced acceleration of metal foils. Opt. Communs, 1975,
v. 15, No 3, pp. 422-423.
40. Космическое оружие: дилемма безопасности. Под ред. Велихова Е.П., Сагдеева Р.З., Кокошина А.А.
М.: Мир, 1986, 182 с.
41. Новиков Л.С. Высокоскоростные соударения в космосе. М.: Изд-во МГУ, 2003, 72 с.
42. Акишин А.И., Новиков Л.С. Методика и оборудование имитационных испытаний материалов косми-
ческих аппаратов. М.: Изд-во МГУ, 1989, 89 с.
43. Novikov L.S., Voronov К.Е., Semkin N.D. et al. Attempt of measurement of space debris microparticle flux
in geosynchronous orbit. In: Proc, of the 2nd Europ. Conf, on Space Debris, ESOC, Darmstadt, Germany,
17-19 March 1997 (ESA SP-393), pp. 135-138.
44. Акишин А.И., Кирюхин В.П., Новиков Л.С. Устройство для имитации потоков космической пыли.
В кн.: Новые приборы, методики, материалы и технологические процессы, разработанные учеными
МГУ. М.: Изд-во МГУ, 1981, с. 31.
45. Novikov L.S., Soloviev G.G., Bednyakov S.A., Dzagurov O.B., Shtyrlin A.F., Nadiradze A.B. Electrostatic
liquid microparticle accelerator for simulation of high velocity shock impacts in space. In: Proc of the 9th Int.
Symp. on Materials in a Space Environment, Noordwijk, The NL, 16-20 June 2003 (ESA SP-540), pp. 543-545.
46. Пилюгин H.H., Виноградов Ю.А., Ермолаев И.К. О моделировании разрушения космических тел при
высокоскоростном ударе. Астроном. Вести., 2001, т. 35, № 2, с. 156-166.
47. Аскарьян Г.А., Мороз Е.М. Давление при испарении вещества в луче радиации. ЖЭТФ, 1962, т. 43,
вып. 6(12), с. 2319-2320.
48. Аскарьян Г.А., Рабинович М.С., Савченко М.М. и др. Светореактивное ускорение макрочастиц веще-
ства. Письма ЖЭТФ, 1967, т. 5, вып. 8, с. 258-260.
49. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явле-
ний. М.: Наука, 1966, 686 с.
50. Высокоскоростные ударные явления. Пер. с англ, под ред. Николаевского В.Н. М.: Мир, 1973, 533 с.
51. Физика высоких плотностей энергии. Пер. с англ, под ред. Крохина О.Н. М.: Мир, 1974, 484 с.
52. Dietzel Н., Neukum G., Rauser P.I. Micrometeoroid simulation studies on metal targets. Joum. Geophys. Res.,
1972, v. 77, No 8, pp. 1375-1395.
53. Katayma M., Takeba A., Toda S, Kibe S. Numerical simulation of jet formation by shaped charge and its
penetration into bumped target. In: Proc, of the 2nd Europ. Conf, on Space Debris, ESOC, Darmstadt, Ger-
many, 17-19 March 1997 (ESA SP-393), pp. 411-416.
54. Анисимов С.И., Ковтуненко B.M., Кремнев P.C., Осипьян Ю.А., Сагдеев Р.З., Фортов В.Е., Шейнд-
лин А.Е. Сверхскоростной удар и противометеорная защита в проекте Вега. Успехи мех., 1986, т. 9,
№ 3, с. 3-50.
55. Никитушкина О.Н., Иванов Л.И., Петров А.Н., Новиков Л.С., Коношенко В.П., Соколов В.Г. Структу-
ра микрократеров на поверхности металлических образцов, экспонировавшихся в открытом космосе.
ФХОМ, 2002, №2, с. 21-25.
56. Никитушкина О.Н., Иванов Л.И., Бедняков С.А., Новиков Л.С. Изменение морфологии поверхности
металлов при сверхзвуковых соударениях. ФХОМ, 2001, № 1, с. 48-51.
57. Титов В.М., Фадеенко Ю.И. Сквозное пробивание при метеоритном ударе. Космические исследова-
ния, 1972, т. X, вып. 4, с. 589-595.
58. Berthoud L., Mandeville J.С. Empirical impact equations and marginal perforation. In: Proc, of the 1st Europ.
Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 5-7 April 1993 (ESA SD-01), pp. 459-464.
59. Berthoud L. Micro-impacts on EURECA solar panels. In: Proc, of the 6th ESA Symp. Proc, on Materials in a
Space Environment, ESTEC, Noordwijk, NL, 19-23 September 1994 (ESA SP-368), pp. 239-248.
560 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ РАЗДЕЛ 1
60. Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Новиков Л.С., Богоявленский Н.Л. Ударно-сжатые пленочные структуры
металл-диэлектрик-металл при высокоскоростном соударении микрометеороидных и техногенных
частиц. ПТЭ, 2005, № 2, с. 123-129.
61. Gardner D.J., McDonnell J.A.M. Meteoroid and debris properties from thin and thick targets. In: Proc, of the
2nd Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 17-19 March 1997 (ESA SP-393), pp. 159-200.
62. Neish M.J., Kibe S. Hypervelocity impact damage equations for Kapton multi-layered insulation and Teflon
second-surface mirrors. In: Proc, of the 3rd Europ. Conf, on Space Debris, ESOC, Darmstadt, Germany,
19-21 March 2001 (ESA SP-473), v. 2, pp. 577-582.
63. Летин B.A., Завялин B.P., Губанова H.A. Солнечные батареи. Вопросы деградации. Электротехн. пром.
Сер. 22. Источники тока: Обзор информ., 1988, вып. 13, с. 1-44.
64. Burgasov М.Р., Nadiradze А.В. Assesment of the solar cell degradation caused by the space debris impact. In:
Proc, of ESPC-93, Austria, 23-27 August 1993, p. 767.
65. Летин B.A., Надирадзе А.Б., Новиков Л.С. Эффект шунтирования элементов солнечных батарей при
высокоскоростном ударе твердых частиц. Гелиотехника, 2005, № 3, с. 3-12.
66. Smith D., Adams N.G. Studies of plasma production at hypervelocity microparticle impact. Joum. Phys. D:
Appl. Phys., 1973, v. 6, No 4, pp. 700-719.
67. Акишин А.И., Кирюхин В.И., Марьин Б.В., Новиков Л.С. Электронная и ионная эмиссия при соударе-
нии микронных металлических частиц со скоростями 1-5 км/с с поверхностью твердого тела. ЖТФ,
1981, т. 51, №4, с. 823-827.
68. Акишин А.И., Кирюхин В.П., Марьин Б.В., Новиков Л.С. Регистрация канальным электронным умно-
жителем ускоренных металлических частиц. ПТЭ, 1980, № 6, с. 129-130.
69. Новиков Л.С., Семкин Н.Д., Куликаускас В.С., Семенчук С.М., Кирюхин В.П. Масс-спектрометрия ио-
нов, эмитируемых при соударении ускоренных пылинок с мишенью. ЖТФ, 1988, т. 58, № 6, с. 1160-1163.
70. Novikov L.S., Akishin A.I., Semkin N.D., Voronov K.E. Emission and discharge phenomena induced by hard
microparticle impact. In: Proc, of the 7th Int. Symp. on «Materials in Space Environment», Toulouse, France,
16-20 June 1997 (SP-399, August 1997), pp. 493-496.
71. Takano T., Murotani Y., Toda T., Fujiwara A., Hasegawa S., Yamori A. Microwave emission experiment with
hypervelocity impacts and applications of its results. In: Proc, of the 3rd Europ. Conf, on Space Debris, Darm-
stadt, Germany, 19-21 March 2001 (ESA SP-473), v. 1, pp. 569-575.
72. Сливков И.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме. М.: Энергоатомиздат, 1986, 256 с.
73. Акишин А.И., Кирюхин В.П., Новиков Л.С., Сливков И.Н. К вопросу об инициировании пробоя в ва-
кууме ударами быстролетящих микрочастиц. ЖТФ, 1984, т. 54. № 1, с. 179-181.
74. Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Новиков Л.С. Регистрация пылевых и газовых частиц в лабораторных и
космических условиях. Самара: Изд-во СГАУ, 2005, 470 с.
75. Drolshagen G., Swedhem Н., Grun Е. Measurement of cosmic dust and micro-debris with GORID impact in
GEO. In: Proc, of the 3rd Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 19-21 March 2001
(ESA SP-473), v. l,pp. 177-184.
76. Kultinen J., Drolshagen G., McDonnel J.A.M., Swedhem H., Leese M., Mannermaa H., Kaipiainen M., Sipi-
nen V. DEBIE - first standard in situ debris monitoring instrument. Ibid., pp. 185-190.
77. Новиков Л.С., Семкин Н.Д., Куликаускас В.С. Масс-спектрометрия ионов, эмитируемых при соударе-
нии микрометеорных частиц с материалами. ФХОМ, 1989, № 6, с. 49-56.
78. Novikov L.S., Semkin N.D., Pomelnikov R.A., Voronov K.E., Rotov S.V. Mass-spectrometer for space dust
exploration. In: Proc, of the 3rd Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 19-21 March 2001
(ESA SP-473), v. 1, pp. 243-248.
79. Balakin V.L., Chochua G.G., Semkin N.D., Shakhmistov V.M., Voronov K.E. Prospects of use of inflatable
film structures for the purpose of study of pollution of terrestrial space by natural and artificial particles. In: Proc,
of the 2nd Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 17-19 March 1997 (ESA SP-393), pp. 147-150.
80. Semkin N.D., Novikov L.S., Voronov K.E., Bobin D.G., Pomelnikov R.A., Rotov S.V. Detector of microme-
teoroid and artificial space debris particles. Space Debris, 2000, v. 2, pp. 273-293.
81. Novikov L.S., Bednyakov S.A., Soloviev G.G., Ermolaev I.K., PilyuginN.N. Laboratory modeling of space
particles impact on materials and structures. In: Proc, of the 4th Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt,
Germany, 18-20 April 2005 (ESA SP-587), pp. 697-700.
82. Schall W.O. Active shielding and reduction of the number of small debris with high-power lasers. In: Proc, of
the 1st Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, Germany, 5-7 April 1993 (ESA SD-01), pp. 465-470.
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ
И ЭКСПЛУАТАЦИИ
КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
Петин В.А.
НПП «Квант»
Список сокращений
ВАХ вольт-амперная характеристика СВА собственная внешняя атмосфера
КА космический аппарат СПС солнечное протонное событие (вспышка)
оке орбитальная космическая станция ФКП факторы космического пространства
РПЗ радиационные пояса Земли ФП фотоэлектрический преобразователь
СБ солнечная батарея ЭМИС электромагнитное излучение Солнца
ВВЕДЕНИЕ
Солнечные батареи (СБ) широко используются на космических аппаратах (КА) в
качестве первичного источника электроэнергии. За период, прошедший с начала их
эксплуатации в космосе (1958 г.), достигнуты значительные успехи как в изучении
физических процессов, происходящих в фотоэлектрических преобразователях (ФП),
так и в проектировании и совершенствовании конструкций СБ, предназначенных для
работы на КА [1-4]. Рост энерговооруженности КА (десятки киловатт) и увеличе-
ние их ресурса (10-15 лет) предъявляют к современным СБ ряд жестких требова-
ний, направленных на достижение максимальной эффективности СБ при заданном
ресурсе или максимального ресурса при приемлемом уровне эффективности СБ.
Эффективность СБ определяется как удельная мощность (Вт-кг-1) на конец ресурса
(времени эксплуатации).
562
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.1.1 показывает взаимосвязи, которые необходимо учитывать при проекти-
ровании СБ и анализе результатов ее функционирования в космической среде.
Рис. 2.1.1. Схема оценки эффективности и ресурса СБ
Воздействие на СБ практически всех факторов космического пространства (ФКП):
потоков заряженных частиц высокой энергии, плазмы, электромагнитного излучения
Солнца (ЭМИС), твердых частиц естественного и искусственного происхождения, а
также продуктов работы реактивных двигателей разных типов может приводить в
результате различных деградационных процессов к существенному ухудшению ха-
рактеристик СБ.
В общем случае проблема обеспечения необходимых уровней эффективности и
ресурса должна рассматриваться в следующих научно-технических аспектах.
1. Физический'.
• изучение космической среды и методов имитации ФКП;
• изучение различных типов и механизмов деградации параметров ФП при воз-
действии космической среды с помощью современных методов физической ди-
агностики и неразрушающего контроля;
• исследования, направленные на увеличение стойкости ФП к воздействию ФКП.
2. Материаловедческий'.
• исследование стойкости различных материалов, используемых в конструкции
СБ, к воздействию ФКП.
3. Проектно-конструкторский'.
• оптимизация оптических и электрических параметров СБ с учетом комплексного
анализа требований к СБ, воздействующих ФКП, результатов физических и ма-
териаловедческих исследований, а также результатов расчетов параметров ФП и
конструктивных элементов, определяющих проектный облик СБ в целом.
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
563
4. Эксплуатационный'.
• наземные и летные испытания;
• анализ данных эксплуатации для выработки рекомендаций по уточнению про-
ектных параметров и режимов испытаний.
Расчет требуемой мощности СБ на конец установленного ресурса, определение
необходимых КПД ФП и уровня запаса мощности СБ производится обычно на осно-
ве особенностей орбитальных данных, графика энергопотребления конкретного КА,
особенностей построения системы энергопитания (СЭП), уровня воздействия среды
и ограничений, накладываемых на величину массы и площади СБ. Эффективность и
ресурс СБ функционально связаны через начальные (проектные) параметры батареи
и степень ее деградации (ухудшения параметров), которая зависит как от воздействия
среды, так и от режима работы и конструктивных особенностей СБ.
Настоящая глава посвящена рассмотрению процессов, протекающих в ФП под
действием окружающей космической среды, и механизмов деградации СБ.
2.1.1. Состояние и перспективы развития элементной базы кремниевых
солнечных батарей
2.1.1.1. Кремниевые монокристаллические ФП
Несмотря на бурное развитие в последние годы многопереходных ФП на основе
арсенида галлия, кремниевые монокристаллические ФП (Si-ФП) до настоящего вре-
мени остаются основным типом генератора для использования в СБ КА. Это опреде-
ляется как рядом несомненных преимуществ Si-ФП: относительная низкая стои-
мость, относительный высокий КПД, наличие многолетнего опыта их проектирова-
ния и эксплуатации, - так и совершенно ясными тенденциями развития кремниевых
ФП в части эффективности и надежности.
Достигнутые значения КПД ФП, применяемых в СБ КА, составляют 17-18%, что
в 1,5-2 раза ниже теоретически рассчитанных величин. Причины этого заключаются
в потерях энергии, происходящих в ФП. Эти потери можно разделить на группы:
• связанные со свойствами полупроводникового материала и обусловленные не-
полным использованием падающего на ФП солнечного излучения;
• зависящие от технологии изготовления ФП и неполного собирания генериро-
ванных неравновесных носителей;
• связанные с работой ФП под нагрузкой.
Первый вид потерь обусловлен отражением света от фронтальной поверхности,
затеняющим действием контактной гребенки, прохождением длинноволнового излу-
чения через ФП без генерации и рассеянием избыточной энергии коротковолновых
квантов.
Второй вид потерь связан с рекомбинационными процессами внутри ФП, при-
водящими к неполному собиранию носителей заряда, что, прежде всего, снижает
напряжение холостого хода.
Третий вид потерь обусловлен, в первую очередь, потерями мощности на после-
довательном сопротивлении Rn. Оно определяется удельной проводимостью базовой
564
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
и легированной областей ФП, их геометрическими размерами, а также электрофизи-
ческими свойствами и геометрией фронтального и тыльного контактов. Основной
составляющей Rn является сопротивление растекания в легированном слое ФП.
Достижение КПД на указанном уровне потребовало применения уменьшенной
глубины залегания р-п перехода для увеличения генерации носителей в коротковол-
новой (фиолетовой) области спектра и создания ФП с изотопным барьером в базе со
стороны тыльного контакта, в результате чего перед ним образуется сильнолегиро-
ванный /9-слой, и р+-р переход создает расширенную базу с меньшей (на три порядка)
скоростью поверхностной рекомбинации. Это позволило также добиться независи-
мости параметров таких ФП от толщины и удельного сопротивления исходного
кремния и привело к возможности создания сверхтонких ФП толщиной 50-60 мкм,
обладающих, помимо меньшей массы, большей радиационной стойкостью.
Дальнейшее повышение КПД ФП из кремния может быть достигнуто путем сни-
жения объемной рекомбинации, создаваемой атомами примесей, дислокациями и
другими нарушениями кристаллической решетки. В первую очередь, это связано с
повышением чистоты исходного материала. Полного исключения влияния фронталь-
ной поверхности на параметры ФП можно добиться вынесением всех контактов на
тыльную поверхность, где р-п переходы формируются путем легирования опреде-
ленных участков попеременно бором и фосфором.
В настоящее время КПД промышленных Si-ФП различных типов колеблется от 15
до 18%, а лабораторных - от 20 до 24%. Прогнозируется промышленный выпуск ФП
с КПД, равным 25-26%, в 2010-2015 гг. [5, 6].
На рис. 2.1.2 представлена так называемая PERT-структура (passivated emitter rear
totally - diffused). В качестве исходного материала использовался высококачествен-
ный кремний, полученный бестигельной зонной плавкой (FZ-Si) компании Wacker с
р = 10 Ом-см.
На этой структуре получены рекордные значения КПД - 24,7% [7, 8]. На лицевой
поверхности - мелкозалегающий if-p переход с определенным профилем распреде-
ления легирующей примеси (глубина залегания п-р перехода 0,15-0,25 мкм), так на-
зываемый голубой эмиттер, текстурированный и пассивированный слои.
Диффузия фосфора и бора с высокой эффективностью используется в СБ для соз-
дания собирающих п+-р переходов, селектив-
ных сильно легированных слоев и р++ под
контактами и слоев р+ для создания тыльных
поверхностных полей (BSF - back surface
field), или изотопных барьеров [8-10].
Текстурированная поверхность состоит из
перевернутых пирамид, а толщина пассиви-
рующего слоя оксида кремния, выращенного
термически, составляет ~20 нм. В качестве
антиотражающего покрытия (АП) использует-
ся двойной слой ZnS/MgF2. Под верхними
линейчатыми контактами находятся площадки
сильно легированных слоев п+\ Передние ме-
таллические контакты, созданные методом
«перевернутые пирамиды»
лицевой контакт
двойной слой АП
тонкий слой оксида (~20 нм)
р-кремний с высоким р
Р
тыльный контакт
оксид
Рис. 2.1.2. PERT-<
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
565
фотолитографии, имеют толщину 3 мкм. Эффективность данной структуры обеспе-
чивается как за счет более высококачественного материала, так и благодаря значи-
тельному улучшению оптических свойств лицевой поверхности.
Одним из путей дальнейшего увеличения КПД Si-ФП является введение в полу-
проводниковый материал оптически активных примесей или дефектов, создающих в
запрещенной зоне дополнительные энергетические уровни, что позволяет осуществ-
лять заброс носителей из валентной зоны в зону проводимости в два этапа: валентная
зона - дефектный уровень и дефектный уровень - зона проводимости. В этих процес-
сах участвуют фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, благодаря
чему расширяется диапазон солнечного спектра, используемого для генерации элек-
трической энергии [10], и КПД Si-ФП может достигать -32%.
Достижения в области нанотехнологий обещают увеличение КПД до 52% при ис-
пользовании энергии так называемых горячих носителей, генерируемых фотонами из
коротковолнового участка спектра электромагнитной энергии Солнца [11].
2.1.1.2. Применение аморфного кремния
В последние годы большой интерес вызывает идея использования в СБ космиче-
ского назначения ФП на основе аморфного кремния (a-Si). Этот материал обладает
рядом несомненных достоинств:
• коэффициент поглощения приблизительно в 100 раз выше, чем у монокристал-
лического кремния, поэтому процесс прямого преобразования солнечной энер-
гии в электрическую может происходить в слоях толщиной несколько микро-
метров;
• допускает нанесение на любые подложки, так как отсутствует проблема согла-
сования параметров решеток;
• обладает высокой радиационной стойкостью.
Первые ФП на основе a-Si:H с барьером Шоттки, имевшие эффективность 5,5%,
были созданы в 1977 г. [12]. Эти ФП имели следующую структуру: смесь оксидов
индия и олова (ITO) - слой аморфного
гидрогенизированного кремния /9-типа
(p-a-Si:H) - слой аморфного гидрогени-
зированного кремния с собственной про-
водимостью (7-a-Si:H) - слой аморфного
гидрогенизированного кремния и-типа
(/7-cc-Si:H) - подложка из нержавеющей
стали. Некоторые вопросы, связанные со
спецификой использования аморфного
кремния при создании ФП, рассмотрены
в [13, 14].
Все современные аморфные ФП созда-
ются на основе гидрогенизированного
аморфного кремния и включают структуру
описанного выше типа: ITO//?-a-Si:H/
/-a-Si:H/n-a-Si:H. С использованием такой
| контакт |___________| контакт |
проводящее просветляющее покрытие ITO
рЗ микрокристаллический Si:H___________
/3 a-Si:H______________________________
пЗ a-Si:H______________________________
р2 микрокристаллический Si:H___________
/2 g-Si:H______________________________
п2 g-Si:H______________________________
р\ микрокристаллический Si:H___________
/1 g-SiGe:H____________________________
п\ g-Si:H______________________________
текстурированное зеркало Ag/ZnO
подложка - ленточная нержавеющая сталь
Рис. 2.1.3. Структура многопереходного ФП
на основе g-Si:H
566
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.1.4. ФП на подложке из
нержавеющей стали толщиной 25 мкм
структуры разработаны многопереходные
аморфные ФП (рис. 2.1.3), имеющие высокую
стабильность и более низкий уровень деграда-
ции при воздействии ФКП.
С целью достижения высокой производи-
тельности и получения многослойных покры-
тий на больших площадях в производстве ис-
пользуется непрерывный способ «с рулона на
рулон» при нанесении всех сплошных слоев.
Для более эффективного использования излу-
чения применяется тыльное текстурированное
зеркало, обеспечивающее отражение света под
определенным углом, что увеличивает ход
луча в поглощающем слое. К настоящему времени эта технология позволяет полу-
чать ФП с КПД 8-9%.
В данной технологии используются ленты из нержавеющей стали толщиной 25.
75, 125 мкм. При толщине ФП 25 мкм и КПД 8% удельная характеристика ФП дости-
гает 300-400 Вт-кг-1. Общий вид сборки из трех ФП, соединенных параллельно, по-
казан на рис. 2.1.4.
Дальнейший прогресс в создании ФП на основе a-Si связан с увеличением КПД
до 12-13% [14] и переходом на полиимидную подложку, что позволит получить ве-
личину удельной мощности ~1 ООО Вт-кГ-1.
2.1.2. Конструкция солнечных батарей
Рис. 2.1.5. Сотовая конструкция:
1 - петлевой контакт; 2 - ФП;
3 - защитное стекло; 4 - изоляционная
пленка; 5 - компаундные покрытия;
6 - алюминиевые соты
Входящие в состав батареи ФП размещаются на несущей конструкции СБ, назы-
ваемой подложкой, которая крепится на силовой конструкции - раме, балке или мач-
те. На подложке СБ вместе с ФП монтируются межэлсмснтные электрические соеди-
нения. На силовой конструкции крепятся механизмы и узлы систем развертывания и
ориентации СБ, а также системы диодной защи-
ты (блокирующие и шунтирующие диоды). В
зависимости от механических характеристик
несущие подложки бывают жесткой, полужест-
кой, гибкой и гибридной конструкции.
Основу жесткой конструкции СБ составляет,
как правило, панель с сотовым наполнителем,
изготовленным из алюминия и облицованным с
двух сторон несущими листами. Подобная кон-
струкция обладает большой жесткостью при
изгибе, обеспечивающей малый прогиб панелей
СБ. Толщина сотовой подложки составляет
~ 10-20 мм. Жесткие панели могут крепиться
непосредственно к корпусу КА или разворачи-
ваться на некотором расстоянии от КА с помо-
ГЛАВА 2 1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
567
щью специальных штанг. Конструкция сотовой
СБ показана на рис. 2.1.5.
Полужесткая конструкция панели СБ содер-
жит жесткую раму и натянутую на нее гибкую
подложку (пленку или сетку). Жесткая рама (кар-
кас) панели изготавливается обычно из легких
алюминиевых сплавов или композитных матери-
алов. Гибкая подложка (например, из стеклово-
локнистых, пропитанных кремнийорганическими
наполнителями нитей) натягивается на каркас с
усилием, обеспечивающим заданную частоту соб-
ственных колебаний панели. Панели, собранные
Рис. 2.1.6. Полужесткая конструкция
СБ: 1 - лицевое стекло; 2 - ФП; 3 -
сетеполотно-подложка; 4 - элемент
крепления; 5 - тыльное защитное
стекло, 6 - коммутационная шина
в пакет в транспортном положении в виде гармоники, раскладываются в рабочее по-
ложение с помощью выдвижной мачты.
Этот вариант конструкции, разработанный в 1960-х гг., в модифицированном ви-
де используется в настоящее время на многих КА. Важнейшим преимуществом СБ
на сетчатой подложке является возможность легкой реализации двусторонних СБ для
использования дополнительной световой энергии за счет отраженного от Земли све-
тового потока Защитные пластины СБ изготавливаются из специальных марок опти-
ческого (чаще всего боросиликатного) стекла с добавками окислов церия для улуч-
шения радиационной стойкости. На рис. 2.1.6 показан фрагмент конструкции полу-
жесткой СБ, а на рис. 2.1.7 - общий вид изготовленной по такой технологии СБ
КА «Sesat».
Гибкие СБ имеют несущую подложку, характеризуемую очень малой прогибпой
жесткостью. По конструктивному исполнению они делятся на свертываемые (рулон-
ного типа) и складные (аналогично СБ полужссткого типа).
Гибридные СБ состоят из комбинации жестких панелей, размещаемых на корпусе
КА, и разворачиваемых панелей, выдвигаемых в рабочее положение с помощью мач-
ты или пантографа.
Электрически СБ разделяются на отдельные генераторы, которые, в свою оче-
редь, разделены на подгруппы (определенное последовательно-параллельное соеди-
нение ФП) соответствующей мощности. Генераторы электрически разделены блоки-
рующими диодами В электрической схеме самого генератора отдельные цепочки из
8-10 последовательно соединенных ФП защищены шунтирующими диодами. Ди-
одная защита значительно увеличивает надежность СБ, особенно при нештатных
ситуациях.
а б
Рис. 2.1.7. Фронтальная (а) и тыльная (б) поверхности СБ КА «Sesat»
568 ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАЗДЕЛ 2
2.1.3. Деградация солнечных батарей в космической среде
2.1.3.1. Радиационная деградация СБ
Классический метод оценки радиационной деградации СБ
Одним из основных факторов, определяющих длительность работы СБ в косми-
ческих условиях, является радиация. Под действием облучения существенно изменя-
ется режим работы ФП и его выходные характеристики. Это обусловлено влиянием
радиации на основные физические параметры, от которых зависит эффективность
преобразования солнечной энергии в электрическую [15-17].
Появление в запрещенной зоне полупроводника локальных уровней, обусловлен-
ных введенными в результате облучения дефектами, приводит к снижению значений
таких физических параметров, как проводимость, время жизни носителей и др. Са-
мым чувствительным к воздействию радиации параметром ФП является время жизни
неосновных носителей заряда - т. Как правило, т изменяется в несколько раз при та-
ких дозах облучения, для которых изменение других характеристик оказывается пре-
небрежимо малым.
Связь флюенса воздействующих частиц Ф с величиной т устанавливается на ос-
нове следующих предположений:
• вероятность рекомбинации носителей является суммой вероятностей, одна из
которых - dt/т0 - не зависит от потока радиации и характеризует рекомбина-
ционные свойства полупроводника до облучения (т0 - время жизни носителей
до облучения), а вторая определяется рекомбинационными характеристиками
дефектов, образовавшихся в результате облучения, - dt/ т„:
dt dt dt
— = — + —,
* Т0
где тп - время жизни неосновных носителей, обусловленное рекомбинацией на
центрах, образовавшихся под действием радиации;
• время жизни неосновных носителей обратно пропорционально концентрации
рекомбинационных центров.
Число рекомбинационных центров, образовавшихся в результате облучения, в
свою очередь, пропорционально числу дефектов, возникших при бомбардировке,
которое, как отмечалось ранее, пропорционально интегральному потоку падающих
частиц - Ф. Приведенное выше предположение и последнее рассуждение позволяют
связать величину т„сФс помощью следующего соотношения:
тл= 1/^Ф, (2.1.2)
где Кх - коэффициент пропорциональности, определяющий скорость изменения
времени жизни неосновных носителей в процессе облучения. Величину Кх принято
называть коэффициентом повреждения. Таким образом, величина т связана с Ф
следующим соотношением:
т'1 =т0-1+^тФ. (2.1.3)
Данная зависимость подтверждается многочисленными экспериментами. Вели-
чина Кх зависит от концентрации носителей, энергии и вида бомбардирующих час-
(2.1.1)
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
569
тиц. В диапазоне потоков, когда мощность ФП находится в допустимых пределах,
Кх не зависит от Ф. Кроме того, величина Кх определяется скоростью введения ре-
комбинационных центров в запрещенную зону, их рекомбинационными свойства-
ми, а также уровнем заполнения их электронами, зависящим от положения уровня
Ферми по отношению к энергетическим уровням этих центров.
Аналогично можно ввести величину Kl, характеризующую изменение диффузи-
онной длины носителей в полупроводнике L в результате облучения его интеграль-
ным потоком частиц Ф, с помощью соотношения:
1 IL2 = 1IL02 + KL®. (2.1.4)
В широком диапазоне значений Ф, когда подвижность носителей практически
постоянна, в то же время включающем в себя интервал значений Ф, в котором па-
раметры ФП остаются в рабочей области,
KL = Кх/Dq, где Dq - коэффициент диффу-
зии носителей до облучения.
Экспериментально коэффициент по-
вреждения определяется по данным из-
мерения зависимости т(Ф). Зависимость
КХ(Е) в принципе может быть рассчитана
теоретически, но из-за трудности опреде-
ления ряда физических параметров ее,
как правило, находят экспериментальным
путем.
При облучении кремниевых образцов
электронами малых и средних энергий
КХ(Е) является монотонно растущей
функцией. Однако при энергиях выше
10 МэВ ее рост существенно замедляет-
ся. В качестве коэффициента повреж-
дения рассматривается также величина
К = Кх/Dz (D - коэффициент диффузии
носителей). Энергетические зависимости
коэффициента повреждения К при облу-
чении кремниевых образцов электронами
и протонами представлены на рис. 2.1.8 и
2.1.9.
При облучении кремния протонами
энергетическая зависимость коэффициен-
та повреждения имеет немонотонный ха-
рактер. Как видно из рис. 2.1.9, в области
энергий протонов 1-10 МэВ начинается
снижение коэффициента К, которое за-
медляется при энергиях 10-40 МэВ, а за-
тем вновь происходит более быстро.
величина Kl связана с Кх соотношением
Рис. 2.1.8. Зависимость KL от энергии
электронов для ФП с различным удельным
сопротивлением базового слоя, [Ом см]:
1-1,3; 2-3,3; 3-10,6;
4 - теоретическая кривая
Рис. 2.1.9. Энергетическая зависимость К
кремниевых ФП при облучении протонами
570
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Метод эквивалентных потоков
Для описания радиационного повреждения ФП необходима информация о боль-
шом количестве физических параметров, что сильно усложняет предсказание пове-
дения ФП в процессе облучения. На практике описание работы облучаемого ФП ос-
новывается на данных об изменении его основных эксплуатационных параметров:
тока короткого замыкания /кз, напряжения холостого хода Vxx и максимальной мощ-
ности Ртах. В результате многочисленных исследований [16] было установлено, что
зависимость указанных величин от флюенса частиц Ф может быть описана с помо-
щью следующего соотношения:
И(Ф) = Z(0) - С lg (1 +Ф/ФД (2.1.5)
где в качестве И(Ф) рассматриваются значения указанных выше величин после облу-
чения, а в качестве Z(0) - их значения до облучения; параметры С и Фх определяются
из экспериментальных данных. Установлено также, что зависимость IK3(L) может
быть представлена в следующем виде:
/кз = A In L + В,
(2.1.6)
что с учетом (2.1.4) позволяет найти зависимости /КЗ(Ф). Аналогичным образом мож-
но установить связи Vxx и Ртах с Ф. Как показали исследования, зависимости /кз, Vxx и
Ртах от Ф одинаковы для различных типов бомбардирующих ФП частиц, а константа
С при этом слабо изменяется.
На рис. 2.1.10 показаны зависимости параметров ФП от флюенса электронов с
энергией 1 МэВ.
Использование величины KL позволяет установить эквивалентность как между
воздействием одного типа частиц с различной энергией, так и между воздействием на
характеристики ФП частиц различного типа, и, благодаря этому, описать влияние
облучения на ФП через эквивалентный поток моноэнергетических частиц. В качестве
таковых выбраны электроны с энергией 1 МэВ, количество которых существенно в
космическом пространстве и которые без особых трудностей могут быть получены в
лабораторных условиях. Относительные изменения величин KL и Фх при изменении
Рис. 2.1.10. Зависимость параметров ФП
от флюенса электронов с энергией 1 МэВ
как энергии бомбардирующих электронов,
так и удельного сопротивления облучаемо-
го полупроводника идентичны. Это позво-
ляет определить относительную эффектив-
ность повреждения для конкретной энер-
гии электронов как отношение потоков
электронов с данной энергией к потоку
электронов с Е = 1 МэВ, обуславливающе-
му деградацию ФП до того же значения
выходного параметра.
Описание изменения характеристик ФП
под действием протонов, энергия которых
достаточна для сквозного пролета частиц,
также можно проводить, используя поня-
тия коэффициента повреждения и, соответ-
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
571
ственно, эквивалентного потока. В случае воздействия протонов в качестве эквива-
лентного потока рассматривается поток протонов с энергией 10 МэВ. Эквивалент-
ность воздействия протонов с £р= 10 МэВ и электронов с £е= 1 МэВ на характери-
стики кремниевых ФП с п-р структурой определяется соотношением:
Ф1 МэВ эл — 3 000 Ф1 о МэВ прот*
Однако при описании повреждений, создаваемых протонами с настолько низкой
энергией, что они останавливаются в объеме полупроводника, возникает сложность,
поскольку плотность повреждений в этом случае неоднородна вдоль пути пробега,
повышаясь к его концу. Протоны с энергиями 1,5-3 МэВ создают в кремниевых ФП
максимальные относительные радиационные повреждения, оказывающие более
сильное воздействие на Vxx и Ртах, чем на /кз.
При малых энергиях бомбардирующих частиц, когда длина пробега становится
сравнимой или даже меньше толщины ФП, плотность образовавшихся дефектов, как
уже указывалось, будет неоднородной. Особенно сильная деградация физических
характеристик ФП наблюдается при длине пробега, сравнимой с глубиной р-п пере-
хода, поскольку при этом наиболее значительно повреждается область базы, приле-
гающая к р-п переходу, вследствие чего большая часть генерированных в базовом
слое носителей рекомбинирует, не достигая р-п перехода. Протоны малых энергий
ускоряют процесс снижения фотоЭДС и коэффициента заполнения вольт-амперной
характеристики (ВАХ) ФП, поскольку при их воздействии повышается скорость
поверхностной рекомбинации и увеличиваются токи утечки. В случае тонкой не-
сущей подложки протоны низких энергий могут воздействовать и со стороны
тыльной поверхности, в результате чего может произойти компенсация проводимо-
сти нарушенного слоя с образованием наряду с основным второго р-п перехода,
который будет притягивать к себе неосновные носители заряда, уменьшая тем са-
мым фотоЭДС и ток ФП.
При повышении плотности потоков протонов с малой энергией возрастает фо-
точувствительность в широкой области спектра. Это связано с образованием в базе
вблизи р-п перехода слоя с повышенным удельным сопротивлением, обусловлен-
ным захватом радиационными дефектами основных носителей, что, в свою оче-
редь, приводит к увеличению ширины области объемного заряда, захватывающей и
нарушенный слой базы. Образовавшееся в нем поле обеспечивает дрейфовый ме-
ханизм движения генерированных носителей к р-п переходу.
Радиационное облучение сказывается не только на самих физических характе-
ристиках ФП, но и на их зависимости от температуры.
Оценка поглощенной дозы в ФП возвращенной панели СБ станции «Мир»
В 1998 г. с орбитальной космической станции (ОКС) «Мир» была возвращена
СБ, эксплуатировавшаяся в течение 10,5 лет, с целью изучения природы дегра-
дации ФП при длительном ресурсе. Для оценки радиационной составляющей де-
градации СБ был выполнен расчет интегральной поглощенной дозы излучения
космического излучения в ФП за этот период [18] на основании данных о потоках
заряженных частиц в космическом пространстве [19, 20].
572
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Поглощенная доза распределяется
неравномерно по толщине ФП h. На
рис. 2.1.11 показана упрощенная структу-
ра ФП, использовавшаяся при проведении
численным методом расчетных оценок
неравномерности распределения дозы, и
приведены результаты расчетов, выпол-
ненных для изотропного потока электро-
нов с распределенным энергетическим
спектром, характерным для радиационно-
го пояса Земли (РПЗ) на высоте полета
ОКС.
В табл. 2.1.1 приведены параметры ма-
териалов ФП, использовавшиеся при про-
ведении расчетов. Для сопоставления ука-
заны также соответствующие параметры
для алюминия.
На основании данных о потоках элек-
тронов и протонов РПЗ на орбите ОКС
«Мир» [19, 20] была рассчитана интег-
ральная поглощенная доза в СБ за ука-
занный период эксплуатации, которая
составила 1,14-104 Гр. При этом доза от
электронов равна 1,03-104 Гр, а от прото-
нов - 1,1 • 103 Гр.
Рис. 2.1.11. Упрощенная структура ФП
с покрытием (а) и распределение в ней
поглощенной дозы потока электронов (б)
Влияние солнечных вспышек на характеристики СБ
Оценка деградации СБ во время солнечных протонных событий (СПС) была про-
изведена для КА, функционирующих на геостационарной орбите, поскольку такие
КА подвержены воздействию протонов, генерируемых во время солнечных вспышек,
в значительно большей степени, чем низкоорбитальные КА.
В качестве примера можно рассмотреть воздействие вспышек на СБ КА «Sesat»,
запущенного 20.04.2000 г. [21-23]. Батареи КА «Sesat» в соответствии с [22] содер-
жали следующие элементы конструкции: подложку на основе стеклосетки, кремни-
Параметры материалов ФП
Таблица 2.1.1
Материал 4ФФ Лэфф Эфф. потенциал ионизации, эВ Плотность, г-см 3
Стекло К208 10,43 21,25 134 2,5
Клеящий состав 5 11 79,6 1,42
ФП 14 28,09 173 2,33
А1 13 26 166 2,70
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
573
евые ФП (р= 10 Ом-см, база р-типа, изо-
топный переход и зеркало на тыльной
поверхности толщиной 200 мкм), фрон-
тальное и тыльное стекло с удельной мас-
сой 0,055 г-см"2.
На рис. 2.1.12 показан фрагмент записи
изменения тока одной из СБ КА «Sesat» в
течение нескольких месяцев после запуска.
В этот период произошли две солнечные
вспышки, время возникновения которых
показано стрелками.
Первая из этих вспышек, получившая
название «Бастилия», была зарегистрирова-
на 14.07.2000 г. и характеризовалась мощ-
ным рентгеновским всплеском и появле-
нием солнечных протонов с энергиями
более 100 МэВ.
Расчет воздействия такой вспышки на
Рис. 2.1.12. График изменения тока,
генерированного солнечными панелями СБ
КА «Sesat» в период с 18.04-31.10.2000.
Стрелки соответствуют моментам
возникновения солнечных вспышек
СБ [21] показал, что для нее эквивалентный поток электронов с энергией 1 МэВ со-
ставил 3,5-1013 электрон-см"2, что несколько превышает годовой эквивалентный по-
ток (3,44-1013 электрон-см"2), прогнозировавшийся для СБ данного КА. В период с 14
по 15 июля относительное изменение тока СБ составило 3,28%, что отчетливо видно
на рис. 2.1.12.
Аналогичный эффект, но меньший по величине, был вызван второй, менее мощ-
ной вспышкой. Таким образом, мощные СПС могут вызывать радиационную дегра-
дацию СБ, существенно превышающую деградацию за счет воздействия потоков за-
ряженных частиц РПЗ за рассматриваемый период.
2.1.3.2. Деградация СБ за счет электризации
Аномалии в работе СБ на геостационарных КА
Экспериментально и теоретически установлено, что наиболее высокие потенци-
алы (до 15-20 кВ) возникают на геостационарных КА, подвергающихся воздействию
горячей магнитосферной плазмы [24-26]. Затенение отдельных частей КА приводит
к его дифференциальному заряжению [27]. На KAECS-1 и MARECS-A было обна-
ружено снижение напряжения СБ, вероятной причиной которого стало возникнове-
ние низковольтной дуги между участками СБ, имеющими различный потенциал.
Низковольтная дуга, как полагают, была инициирована высоковольтным разря-
дом [28].
Скачкообразные изменения тока СБ, наиболее вероятной причиной которых яв-
ляется возникновение дуговых разрядов, наблюдались на геостационарном КА «In-
telsat V» и ряде отечественных КА серии «Горизонт» (рис. 2.1.13) [29].
На ряде геостационарных КА наблюдались частичные потери мощности СБ через
1,5-2 года работы на орбите. Такие явления зафиксированы на КА STS (1976), ECS
574
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.1.13. Изменения тока СБ при дуговых разрядах на геостационарных КА:
а - «Intelsat V»; б - «Горизонт»
(1985), MARECS-A (1982). На STS одна секция работала в режиме самопроизвольно-
го включения-отключения. В разное время аномалии возникали на КА TDRS, «Ме-
teosat 2», ETS 5, DSP, ATS-5, CRRES и др. [30-32].
Лабораторные исследования воздействия электризации на СБ
В лабораторных условиях изучение влияния электризации на работу СБ проводи-
лось на отдельных ФП и сборках ФП от групп размером 100 х 100 мм до полномас-
штабной СБ 1,6 х 3,2 м [33-38].
В результате проведенных экспериментов обнаружено следующее.
1. Облучение кремниевых ФП с защитным стеклом К-208 потоком электронов с
энергией 45 кэВ и флюенсом 9-1016 электрон-см“2 приводит к изменению световой
ВАХ. Анализ причин деградации ВАХ позволил установить, что ее изменение про-
исходит в основном за счет уменьшения прозрачности защитного стекла. Также ус-
тановлено, что при облучении ФП защитное стекло аккумулирует электрический за-
ряд, благодаря чему потенциал поверхности стекла толщиной 0,17 мм может дохо-
дить до 25 кВ. Однако наличие в стекле накопленного при облучении заряда не
оказывает влияния на ВАХ из-за высокой концентрации носителей заряда во фрон-
тальном легированном слое ФП, который обеспечивает дебаевское экранирование
р-п перехода [34].
2. Отрицательное влияние электризации на характеристики ФП может быть сни-
жено при использовании токопроводящих покрытий, наносимых на поверхность за-
щитного стекла, а также за счет увеличения электропроводности самого стекла. Ис-
следования ФП, у которых на поверхность стекла была нанесена токопроводящая
пленка ITO (1п20з + SnO2) [39], показали, что ВАХ и спектральная чувствительность
после облучения остаются практически неизменными, не изменяется при этом и про-
пускание света. Это объясняется тем, что с нанесением токопроводящей пленки ITO
устраняется дифференциальное заряжение поверхности и снижается напряженность
электрического поля в объеме стекла, в результате чего уменьшается вероятность
возникновения разрядов. Наличие проводящего покрытия приводит к уменьшению
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
575
амплитуды разрядов более чем на два порядка, однако частота их следования остает-
ся такой же, как и в случае ФП без покрытия.
3. Анализ результатов измерений, проведенных на ФП с защитным стеклом,
удельное сопротивление которого на пять порядков меньше, чем у К-208, показал,
что после облучения световая и темновая ВАХ остаются неизменными, а пропуска-
ние самого стекла немного уменьшается (~3%) в области длин волн 0,4-0,5 мкм. В
таком стекле амплитуда разрядов уменьшается по сравнению со стеклом К-208 более
чем на два порядка, а частота следования - более чем на порядок.
Влияние сопротивления защитного стекла на процессы, происходящие при облу-
чении ФП, наблюдалось также при исследовании температурной зависимости элек-
тризации. В ходе эксперимента, проведенного на ФП с защитным стеклом К-208,
было установлено, что по мере роста температуры амплитуда и частота разрядных
импульсов уменьшаются. Начиная с температуры 60°С, когда удельное сопротивле-
ние стекла К-208 достигает 1,3-1012 Ом-см, разряды исчезают. Отсюда следует, что
для устранения эффекта электризации необходимо стекло с удельным сопротивлени-
ем порядка 1012 Ом-см [35].
4. В результате накопления электронов в стекле возникают разряды, которые мо-
гут вызвать пробои. Анализ микрофотографий и топограмм позволяет сделать за-
ключение о двояком характере действия пробоя диэлектрика. Во-первых, разряд не-
посредственно действует на поверхность ФП, разрушая просветляющее покрытие,
образуя кратеры и создавая локальное повреждение р-п перехода. Во-вторых, воз-
можно воздействие ударной волны, которая формируется в стеклянном покрытии
при его пробое. При этом поверхность кремниевой пластины не повреждается, а в
объеме полупроводника создаются области деформации с высокой плотностью дис-
локаций и даже микротрешинами. Оба типа повреждений могут приводить к дегра-
дации физических параметров ФП.
5. В процессе эксперимента было обнаружено, что между близко расположенны-
ми участками СБ может возникать дуговой разряд [36, 38]. Для его возникновения в
зазоре между ФП шириной 1-4 мм необходим поджигающий электростатический
заряд достаточной амплитуды. Установлено существование порогового напряжения
([/>10 В), при котором возникает дуга. Ее ток не зависит от плотности тока элек-
тронов, а определяется напряжением и сопротивлением цепи. С увеличением плотно-
сти тока электронов повышается частота воз-
никновения дуг, которая, однако, спадает при
росте ширины зазора. В отсутствие облучения
дуга не возникает.
Электрическая дуга является серьезным
повреждающим СБ фактором (рис. 2.1.14). В
ряде случаев электрическая дуга при эксплуа-
тации СБ может включаться и выключаться
неоднократно, но, в конечном счете, она при-
водит к повреждению или выходу СБ из строя.
Для предотвращения ее возникновения при
компоновке СБ не следует располагать рядом
ФП, находящиеся под разными потенциалами.
Рис. 2.1.14. Повреждение СБ при
лабораторных испытаниях. Места
повреждения указаны стрелками
576
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Изменение схемы размещения ФП на СБ позволяет устранить скачки тока, возни-
кающие при эксплуатации СБ.
6. Были проведены исследования процессов электризации полноразмерной пане-
ли СБ площадью 1,6 х 3,2 м, которые являлись частью более общей программы моде-
лирования важнейших (с точки зрения ресурса) факторов при обработке СБ КА «Го-
ризонт»: электризации СБ, вакуума, термоциклирования, воздействия ЭМИС, час-
тичного затенения СБ. Кроме того, подключением СБ к нагрузке воспроизводился
реальный электродинамический режим работы СБ в системе энергопитания
КА «Горизонт» [40].
Испытания проводились в вакуумной камере ВК-600/300, предназначенной для
имитации космического пространства. Для исследования электризации была спроек-
тирована и установлена в камере специальная система облучения электронами, по-
зволявшая одновременно облучать лицевую и тыльную стороны СБ. Электронный
луч сканировал по горизонтали и смещался по вертикали таким образом, что пло-
щадь ~6 м2 облучалась за 0,1 с. Энергия электронов составляла 25 кэВ, плотность
тока электронов 200 нА-см“2.
Результаты испытаний показали, что амплитуда разрядного тока колеблется от
~30 А до долей ампера, частота следования разрядных импульсов от нескольких со-
тен до единиц в минуту. В случае частичного затенения СБ амплитуда и частота раз-
ряда увеличиваются [40].
2.1.З.З. Деградация СБ при воздействии собственной внешней атмосферы
Одним из наиболее существенных ФКП, вызывающих деградацию СБ, является
окружающее КА облако газа и твердых частиц - собственная внешняя атмосфера
(СВА) КА.
Влияние СВА на СБ проявляется двояко:
• в снижении коэффициента пропускания защитного стекла на 10-15% (оптиче-
ская деградация);
• в повышении коэффициента поглощения солнечного излучения as (термоопти-
ческая деградация), что приводит к повышению температуры (на 10-15°С за
10 лет) и, соответственно, к снижению мощности.
Ввиду удаленности СБ от корпуса КА основной вклад в образование СВА в непо-
средственной близости от СБ дают материалы самой батареи: клеи, полимерные
пленки, покрытия и т. п.
Данные, полученные при лабораторных исследованиях и в натурных эксперимен-
тах, позволяют рассчитать изменения отражающей и пропускающей способности
защитных стеклянных покрытий СБ в зависимости от толщины загрязняющего слоя.
Известно, что термическое испарение полимеров следует кинетике первого порядка,
т. е. ~е-к/, где к - константа скорости, a t - время. Можно ожидать, что толщина слоя
загрязнения должна возрастать как /? = /?0(1 - где Ло - параметр, зависящий от
толщины полимерных покрытий и геометрии КА. Тогда для описания ослабления
светового потока Ф справедливо выражение:
Ф = Ф0(1-ехр{-аЛ0(1-е"к')}), (2.1.7)
где Фо - интенсивность падающего света; а - коэффициент ослабления, [см-1].
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
577
Рис. 2.1.15. Измеренная (1) и рассчитанная (2)
выходная мощность СБ КА серии «Navstar»
(орбита 20000 км)
Загрязнение от СВА привело к ано-
мальному снижению выходной мощности
СБ ряда КА серии «Navstar» (рис. 2.1.15) и
DSP, а также потемнению зеркала па
КА SOS [41]. Отличие кривых 1 и 2 на
рис. 2.1.15 объясняется влиянием СВА на
СБ (оптическая деградация).
Для выяснения причин аномалии на
КА «Navstar-5» был установлен калори-
метрический датчик с покрытием, снаб-
женным тыльным зеркальным отражате-
лем. Датчик подвергался воздействию тех
же испарений, что и поверхность СБ. Со-
гласно данным, полученным в ходе экспе-
римента с калориметром, среднее измене-
ние коэффициента поглощения за год по-
лета составило Дос5 = 0,06. Из опубликованных результатов исследований, проведен-
ных на КА «Scatha», получено следующее соотношение между Да5 и толщиной за-
грязнения: Да5= 0,0034 в случае приращения толщины пленки на 10 нм. Таким обра-
зом, скорость осаждения пленки на СБ «Navstar» составляет 0,176 мкм-год-1.
Чтобы определить полное снижение мощности СБ, следует просуммировать эф-
фекты, обусловленные воздействием радиации и осаждением продуктов СВА на по-
верхность СБ. Подобный расчет применительно к СБ «Navstar-4» дает следующие
результаты. Мощность СБ, составляющая в начале полета —550 Вт, под действием
космической радиации должна снизиться через 1, 2 и 4 года полета приблизительно
до 500, 480 и 460 Вт соответственно. В начальный период полета (в течение 1 года)
фактическое падение мощности совпадает с ее изменением, рассчитанным исходя
только из радиационного воздействия. В ходе дальнейшего полета мощность СБ
приближается к значениям, рассчитанным с учетом обоих факторов: радиации и по-
верхностных осаждений из СВА.
Общее количество выделений в паровую фазу оценено по результатам термоваку-
умных испытаний КА. Масса высвобождающихся летучих веществ, конденсирую-
щихся при невысоких температурах, составляет ~240 г, а ожидаемая длительность
процесса испарения ~10 лет.
Таким образом, аномально высокая скорость деградации СБ КА серии «Navstar»
может быть объяснена образованием на ФП налета СВА, снижающего пропускание
солнечного потока.
Методика лабораторных исследований влияния СВА в сочетании с ЭМИС и по-
током электронов на работу СБ описана в [42-44].
Большой объем экспериментальных данных о влиянии СВА на работу СБ КА по-
лучен в натурных экспериментах. В продолжительном (5,8 лет) полете платформы
LDEF (1990 г., орбита 463 км) испытывались четыре группы полимерных материа-
лов, в том числе клеи и герметики, характерные для конструкции СБ [46]. Все образ-
цы испытанных материалов за время пребывания в космосе изменили свой цвет.
578
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.1.16. Изменение спектрального
коэффициента пропускания стекла СБ:
1 - перед полетом; 2 - после полета;
3 - после очистки от загрязнений СВА
Спектральный анализ показал сущест-
венное изменение структурного состава
полимерных материалов, подвергавшихся
длительному воздействию ФКП. Такое
изменение состава материалов позволяет
прогнозировать существенное воздействие
СВА на СБ [46].
На рис. 2.1.16 приведены данные об
изменении спектрального коэффициента
пропускания защитного стекла СБ КА
LDEF после 5,8-летного полета. Из рисунка
видно, что очистка стекла от загрязнений в
значительной степени восстанавливает его
прозрачность. Это свидетельствует о том,
что оптические потери в основном вызы-
ваются загрязнением продуктами СВА, а
не ударами твердых частиц или радиаци-
онным воздействием. Последние, согласно
оценкам, привели к оптическим потерям СБ —1 — 1,5%.
Визуальный осмотр и результаты исследований возвращенных на Землю после
10,5 лет полета панелей СБ свидетельствуют о наличии загрязнений, неравномерно
распределенных по поверхности. Источником этих загрязнений являются материалы
самой СБ и внешние поверхности ОКС «Мир» [45].
По результатам эксперимента «Астра-2» на ОКС «Мир» на кварцевых микровесах
(КМВ), расположенных вблизи СБ, зафиксирована максимальная скорость осаждения
продуктов СВА на уровне 1,3-10“12 г-см“2-с-1 в течение второго года измерений. В
поле зрения КМВ попадали элементы основных панелей СБ ОКС «Мир». Данные
измерений, по которым сделана оценка, приведены на рис. 2.1.17. Толщина пленки
пересчитана для плотности осадка ~1 г-см“3 [45].
Результаты расчетов показали, что
Рис. 2.1.17. Зависимость толщины
осажденной пленки от времени полета
средняя по всей панели толщина осевшей
пленки за время экспозиции (125 месяцев)
не должна превышать 3 мкм на лицевой
поверхности и 6,5 мкм на тыльной.
Загрязнение поверхности СБ может
быть обусловлено также продуктами рабо-
ты реактивных двигателей. Имеются оцен-
ки, свидетельствующие, что при загрязне-
нии СБ монометилгидразином и окис-
лителем N2O4 деградация мощности СБ
может достигать 3,5%. Математическая
модель загрязнения СБ реактивными дви-
гателями и результаты лабораторных ис-
следований этого процесса представлены
в [47, 48].
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
579
Термооптическая деградация
Термооптическая деградация СБ так же,
как и оптическая, вызвана, в основном,
загрязнением и проявляется в повышении
коэффициента поглощения а5. Загрязнение
практически не влияет на коэффициент
поглощения ФП с защитным стеклом, по-
ка они находятся в среде атомарного ки-
слорода (орбиты 400-550 км), но очень
сильно заметны у СБ, расположенных на
высотах 700 км и выше.
На рис. 2.1.18 [49] представлены зави-
симости изменения коэффициента погло-
щения Да5 от времени полета для КА
«Navstar» (орбита 20 000 км) и трех геоста-
ционарных КА.
Все зависимости аппроксимируются
формулой [2]:
Рис. 2.1.18. Зависимость от времени полета
Да5 стекла с напыленным алюминием
для различных КА: 1 - «Navstar»;
2 - «Intelsat IV А»; 3 - «Intelsat IV»;
4 - DSP AVG
Aa, = («оо-a,0)(1-exP{-(^-/o)/Y})>
(2.1.8)
где ctoo - асимптотическая величина, к которой стремится значение коэффициента
поглощения; oczo - значение коэффициента поглощения в момент времени /0; t ~ теку-
щее время полета, дни; у - коэффициент, учитывающий деградацию.
В [45] приведены данные об изменении коэффициента as фрагмента СБ, возвра-
щенного с ОКС «Мир».
2.1.3.4. Деградация от частиц метеорной материи и космического мусора
К числу малоизученных факторов, приводящих к деградации СБ, относится
воздействие твердых частиц естественного и искусственного происхождения. До
последнего времени считалось, что деградация от метеорных тел слабее, чем от
других ФКП. При ударах метеорных тел происходит, в основном, эрозия или рас-
трескивание защитного стекла ФП. При этом снижение мощности не превышает
0,25% в год при эксплуатации на низких орбитах и 0,2% в год на геостационарной
орбите [50].
Однако в связи со значительным увеличением засоренности околоземного про-
странства частицами искусственного происхождения (космическим мусором) необ-
ходимо принимать во внимание воздействие этого фактора.
Результаты работ по экспериментальному исследованию влияния микромете-
ороидов и частиц космического мусора показывают, что потоки частиц дисперс-
ностью 1-100 мкм со скоростью менее 3,0 км-с”1 обеспечивают линейный меха-
низм деградации мощности СБ, обусловленный эрозией стеклянных покрытий,
что уменьшает светопропускание во всем диапазоне спектральной чувствитель-
ности ФП.
580
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Таблица 2.1.2
Оценка эрозии защитного стекла К-208
W, г Dk, мкм L, мкм Ф, м 2-сутки 1 $эр, м2-год 1
1(Г5 2-Ю3 442 0,2 ЫО’3
10“6 1-Ю3 205 4,5 2-104
10’’ 480 96 95 3,610 5
10‘8 220 44 2-103 1-Ю’5
10'9 100 20 5-Ю4 2,8-10’6
10-1° 48 9,6 9 10s 6-1 О*7
10-" 22 4,4 2 10’ 1-Ю'7
10"12 10 2 5-Ю8 2-10’8
10’13 4 0,8 2-10'° 4-10’9
В табл. 2.1.2 приведены параметры, характеризующие эрозию защитного стекла
К-208 СБ геостационарного КА под действием потока частиц с различными масса-
ми т [51]. Здесь Dk и L - диаметр и глубина кратера, образующегося в стекле при
ударе частицы; Ф - суточный поток частиц; 5эр - площадь эрозии стекла за год.
В лабораторных экспериментах показано, что воздействие твердых частиц дис-
персностью менее 10 мкм приводит к линейному механизму деградации параметров
СБ. Это проявляется в эрозии стеклянных покрытий, что обуславливает рост коэф-
фициента отражения и уменьшение светопропускания.
При воздействии твердых частиц с большими скоростями деградация существен-
но нелинейна. При определенных условиях это приводит к относительным потерям
мощности, значительно превышающим относительные площади механического по-
вреждения. Причиной нелинейности является шунтирование ФП при плавлении по-
лупроводника [52]. Нарушение примесной структуры в области удара частицы при-
водит к частичной или полной потере выпрямительных свойств р-п перехода, росту
тока утечек и значительной деградации мощности при относительно малой площади
поврежденного участка. Определено, что критическая скорость частиц, приводящая к
шунтированию ФП при плавлении, зависит от их массовой плотности и для веществ,
образующих космический мусор, находится в пределах от 6 до 9 км-с-1. Характерные
значения критического радиуса бомбардирующих частиц находятся в диапазоне от
0,5 до 2 толщин защитного стекла ФП.
Исследования возвращаемых из космоса фрагментов СБ
Уникальные данные о повреждении СБ ударами твердых частиц дают исследо-
вания фрагментов СБ, экспонированных в космосе и доставленных затем на Землю.
Всего исследовано более 50 объектов, доставленных с низких орбит. Получен боль-
шой объем информации от орбитальной платформы длительной экспозиции (LDEF)
площадью —130 м2, которая была возвращена на Землю с орбиты высотой ~450 км в
январе 1990 г. после экспозиции в течение 5,7 лет [53, 54]. Стабилизация этой ор-
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
581
битальной платформы обеспечивала высокую разрешающую способность в отно-
шении потоков и траекторий бомбардирующих метеороидов и частиц космического
мусора.
Были исследованы с высоким разрешением изображения всех крупных кратеров,
образованных ударами по алюминиевому корпусу [49]. За время полета платформы
зарегистрировано около 34000 ударов метеороидов и частиц космического мусора.
Размеры около 3 200 частиц составляли 0,5-5,25 мм, остальные частицы были очень
мелкими.
При полете ОКС «Салют-4» в 1976 г. впервые в практике пилотируемых космиче-
ских полетов были зарегистрированы довольно крупные кратеры на иллюминаторе,
появившиеся под воздействием микрометеоритов. Два кратера имели диаметр более
3 мм.
Подробный анализ этих данных выполнен в работе [55]. Предполагается, что на-
блюдавшиеся повреждения обусловлены прохождением Земли в начале июля 1975 г.
через относительно плотный рой метеорных тел.
На ОКС «Салют-5» был поставлен эксперимент по определению пространствен-
ной плотности метеоритного вещества [55]. Регистрация велась с помощью конден-
саторных и пьезоэлектрических датчиков. Они размещались в задней части орби-
тального блока вблизи СБ и на поверхности конической части корпуса. Площадь
чувствительных поверхностей составляла 0,33; 0,34; 0,5 и 0,85 м2.
Датчики, располагавшиеся вблизи панелей СБ, зафиксировали в несколько раз
больший поток частиц, что объясняется регистрацией продуктов разрушения за-
щитных стекол СБ при ударах метеородидов и частиц космического мусора. Прове-
денное исследование позволило определить количество, массу и пространственную
плотность микрометеорных частиц.
Твердые частицы диаметром более 20 мкм регистрировались при ударах о по-
верхности СБ КА (600 км, 43,3 мес.) и EURECA (500 км, 10,8 мес.) [56].
На СБ HST площадью 70 м2 после полета зафиксировано 40000 частиц менее
20 мкм. На основании результатов анализа ударов частиц с размерами 100-200 мкм о
панели СБ зарегистрированы следующие повреждения:
• полное число кратеров на лицевой поверхности - 3 862;
• полное число кратеров на тыльной поверхности - 4 240;
• число повреждений ФП (разрушения и пробой) - 738;
• число сквозных пробоев - 212;
• количество повреждений стекла (включая удары с тыла) - 1316.
Зарегистрированная деградация мощности 3% (вместо 9% по расчету) показыва-
ет, что принятое в проектах значение деградации за счет воздействия микрометео-
роидов и частиц космического мусора (0,5% в год) завышено. По-видимому, дегра-
дация СБ -0,2-0,25% в год более соответствует условиям низких орбит.
На ОКС «Салют-6» за время полета на специальных пластинах было зарегистри-
ровано около 200 ударов микрометеороидов. Размеры кратеров лежали в пределах
10-50 мкм. В процессе проведения исследований возвращенных на Землю 16 иллю-
минаторов КА «Gemini» на их внешних поверхностях было выявлено 108 кратеров
диаметром более 100 мкм, средняя плотность распределения которых ~1 см-2 [57].
582
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Экспериментальные исследования фрагментов СБ ОКС «Мир», являвшейся в те-
чение 10,5 лет своеобразным детектором метеорных и техногенных частиц, дают
возможность провести уточнение существующих моделей пространственно-времен-
ного распределения частиц и их повреждающего воздействия.
Объектом исследования являлись ФП размером 40x45 мм [45]. В одном из ФП
обнаружено отверстие с диаметром поврежденной зоны ~5 мм и 20 кратеров. На дру-
гих ФП обнаружено до 40 кратеров размером от 6 до 23 мкм. Площадь повреждений
составляет около 30%.
Подавляющее количество обнаруженных кратеров имеют соотношение диамет-
ра зоны растрескивания к глубине кратера от 20 до 50-70. Форма кратеров сви-
детельствует о том, что они образованы в большинстве случаев ударами частиц с
малой плотностью вещества и скоростями больше 5-7 км-с-1. Предполагаемый
размер частиц составляет от 0,5-5 мкм для кратеров с поперечными размерами
~17-190 мкм до 0,1-0,2 мм для самой большой пробоины. Размер частиц оценен по
результатам лабораторных экспериментов при воздействии микрочастиц на образ-
цы стекла К-208.
Поверхность СБ имеет эрозионные повреждения в виде микрократеров на всей
поверхности образца с равномерным распределением. Диаметр этих микрократеров
составляет меньше 4-8 мкм. Подсчет эрозионных повреждений был проведен на
участке 41,5 х 41,5 мкм, при этом было обнаружено, что суммарная площадь повреж-
дений составляет ~ 34% площади поверхности.
Оценка плотности потока частиц с поперечными размерами ~1-5 мкм на основа-
нии результатов исследования ФП дает значения, близкие к данным используемых
моделей. В то же время необходимо их постоянное уточнение в связи с ростом коли-
чества техногенных частиц в околоземном пространстве [54, 59]. При наблюдаемой
значительной площади поврежденной поверхности СБ может оказаться нецелесооб-
разным применение покрытий типа БпСЬ-ЪОз или MgF2 на стеклах СБ низкоорби-
тальных КА с ресурсом 15-20 лет.
Прогнозирование деградации СБ под действием твердых частиц
Основным фактором, определяющим энергетические характеристики ФП, явля-
ется структура р-п перехода. Анализ высокоскоростного удара твердой частицы по
ФП показал, что существуют два характерных типа повреждений. Один из них обу-
словлен механическим разрушением полупроводника, второй - его плавлением.
Исследования влияния ударов твердых микрочастиц на электрические и опти-
ческие характеристики СБ показывают, что воздействие потоков частиц дисперс-
ностью 1-100 мкм со скоростью ниже 3,0 км-с-1 описывается линейной моделью
деградации, вызванной эрозией и растрескиванием стеклянных покрытий, что
уменьшает коэффициент пропускания во всем диапазоне спектральной чувстви-
тельности ФП. Линейной эту модель называют потому, что потери мощности пря-
мо пропорциональны площади поврежденного участка.
Из имеющихся данных следует, что механические разрушения при линейной
модели (микротрещины, поры и т. п.) незначительно ухудшают энергетические
характеристики, а механизм шунтирования при этом маловероятен.
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙВКОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
583
Была разработана [59] нелинейная модель деградации, основанная на том, что
шунтирование ФП является результатом структурных изменений, вызванных плав-
лением полупроводника в мощной ударной волне, возникающей при ударе частиц
(плотность 2,7 г-см-3, скорость 9 км-с-1, диаметр 0,01-0,2 см). Эту модель называют
нелинейной потому, что потери мощности не пропорциональны площади повреж-
денного участка. Особенностью модели является малая частота событий (0,1-100 в
год). Потери мощности СБ при этом зависят не только от интегральных параметров
потока, но и от параметров каждой отдельной частицы, от координат и взаимного
расположения точек попадания. Большое значение при этом имеют схема коммута-
ции и компоновка СБ, наличие участков, защищенных от ударных воздействий,
частичное затенение СБ и наличие электрического заряда на поверхности (электри-
зация).
При прогнозировании деградации СБ за счет воздействия твердых частиц обыч-
но рассматривается линейная модель, основывающаяся на механизме эрозии за-
щитных стекол. Принимается, что потери мощности СБ пропорциональны относи-
тельной площади поврежденной поверхности и степени уменьшения прозрачности
поврежденных участков.
Даже при полном повреждении защитных стекол их светопропускание и мощ-
ность СБ снижаются не более чем на 10% [59, 60]. В действительности, уменьшение
светового потока при эрозии защитных стекол обычно не превышает 0,25-0,3% в год
для геостационарной орбиты и 0,2-0,25% в год для низких околоземных орбит [62].
Фактические потери тока будут еще меньше.
Наиболее эффективными способами защиты СБ являются разделение ее на не-
сколько параллельных генераторов, внутри которых ФП скоммутированы последо-
вательно-параллельно, и применение шунтирующих диодов на тыльной стороне
каждой группы ФП (два диода на 6-8 ФП) для изоляции поврежденных ФП. Такой
способ повышения ресурса СБ применяется в НПП «Квант», начиная с 1970 г., и
усовершенствован на СБ МКС и КА «Sesat».
По результатам исследований и литературным источникам можно оценить де-
градацию мощности СБ для трех характерных типов орбит [50, 54, 58-63]:
• низкие орбиты, для которых характерны эрозия, кратерообразование и
пробои;
Таблица 2.1.3
Оценка деградации СБ под действием твердых частиц
Высота орбиты, км Количество разрушающих ударов, м"2-год"1 Эрозия поверхности в год,% Уменьшение тока в год,%
350-750 (экваториальная) 0,06 2-3 0,25
750-1000 (полярная) 0,1 3-4 0,3
36000 (геостационарная) 0,015 1-1,5 0,15-0,2
584
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
• средние орбиты, на которых особенно заметны кратерообразование и про-
бои;
• геостационарная орбита, где преобладает эрозия.
Оценка деградации приведена в табл. 2.1.3. Следует отметить, что в последнее
время в ряде работ разделяют деградацию от ударов микрометеороидов и от частиц
космического мусора.
Для СБ на сотовой подложке наиболее уязвимым звеном является полиимидная
пленка толщиной 25 мкм, которая легко повреждается (пробой, эрозия). Эта пленка
разрушается также в результате воздействия потока атомарного кислорода в области
низких орбит.
2.1.3.5. Деградация СБ под действием атомарного кислорода
Под действием набегающего потока атомарного кислорода, который является
важным поражающим фактором для низкоорбитальных КА (200-600 км), происхо-
дит унос массы материалов внешней поверхности, в особенности полимеров.
Как отмечается в [64], самое большое изменение свойств наблюдалось у пленки
каптона (полиимида), которая использовалась для электроизоляции сотовой панели
СБ и термической изоляции телекамеры. Во время полета для каптоновой пленки
зафиксированы потеря массы на 36% и изменение цвета и структуры поверхности.
Была зафиксирована также деградация графитового слоя (толщина около 10-4см)
каркаса СБ, при этом флюенс атомов кислорода составил -2-1020 см-2.
На основе полученных результатов можно сделать практические выводы для СБ,
эксплуатирующихся в условиях низких околоземных орбит:
• материалы, содержащие углерод, водород, кислород и азот, имеют высокие
скорости уноса вещества, - ~(2,5-3,0)-10”24 см3 на атом О;
• фторопласты и силиконы более устойчивы по сравнению с органическими по-
лимерами (по крайней мере в 50 раз);
• скорости реакций для наполненных органических материалов зависят от окис-
лительной стойкости наполнителей;
• металлы (за исключением серебра и осмия) устойчивы, все они медленно обра-
зуют слой окиси.
В [65] изложены основные принципы конструирования гибкой панели СБ, устой-
чивой к воздействию атомарного кислорода. Панель предназначена для космического
телескопа и рассчитана на ресурс пять лет (30000 термоциклов в диапазоне темпера-
тур ±100°С). Коммутация панели выполнена в двух вариантах:
• позолоченная серебряная фольга для диодов солнечных элементов (1,5 мкм
Au - 20 мкм Ag - 1,5 мкм Au);
• посеребренная молибденовая фольга для солнечного элемента (5,0 мкм Ag -
0,5 мкм Pt - 15 мкм Мо - 0,5 мкм Pt - 5,0 мкм Ag).
Особую трудность представляет несущая подложка, состоящая из углеволокна
толщиной 35 мкм с каптоновой пленкой толщиной 12,5 мкм. Чтобы защитить каптон
от воздействия атомарного кислорода, углеволокно пропитывалось силиконовым
клеем. Деградация под действием атомарного кислорода оценивается на уровне
0,2-0,3% в год.
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
585
2.1.4. Термоциклическая деградация
Один из специфических видов деградации СБ в космической среде связан, в ос-
новном, с теплосменами, происходящими при периодическом прохождении КА
теневых и освещенных участков орбиты. Кроме того, теплосмены могут происхо-
дить при частичных затенениях СБ на освещенных участках орбиты.
Как правило, на низких околоземных орбитах температура СБ находится в диапа-
зоне от -60 до +60°С, на геостационарной орбите - от -160 до +50°С.
Термоциклы вызывают упругопластические деформации в ФП и их соединени-
ях, которые циклически накапливаются при эксплуатации СБ и могут приводить в
конечном итоге к сильной деградации вплоть до разрушения. Испытания на термо-
циклирование показали, что наиболее часты следующие формы разрушений: рас-
трескивание или отрывы мест паек в соединениях. Вначале около коммутирующих
шин появляются небольшие трещины, с повышением количества циклов они увели-
чиваются, что приводит к снижению мощности, а затем - к отрыву шин ФП.
В связи с этим для анализа термоциклической деградации следует оценить вели-
чину напряжений, возникающих при работе ФП. Причины появления таких напря-
жений: различие в коэффициентах теплового расширения материалов, входящих в
состав ФП, и воздействие сил и моментов, возникающих в процессе изготовления
ФП в заводских условиях. Ресурс работы оценивают обычно на основе расчета мно-
го- и малоцикловой усталости в упругой и упруго пластичной областях [67, 68].
Исследования [69, 70] показали, что термоциклическая деградация состоит не
только в уменьшении омической площади контакта (т. е. увеличении последова-
тельного сопротивления структуры 7?п), но и в возрастании обратного и шунтового
токов через ФП, а также росте параметров рекомбинации. Таким образом, термоцик-
лическая деградация является комплексной электрофизической проблемой. Проб-
леме посвящено большое число публикаций, однако среди них следует выделить ра-
боты, в которых с единых позиций рассматриваются механические, физические и
материаловедческие аспекты деформирования и разрушения материалов [71]. В этих
работах механический и физический подходы к раскрытию механизмов разрушения
принято определять областью применения: первый - в макроскопической, второй - в
микро- и субмикроскопической областях, границы которых в результате можно счи-
тать условными.
Механизмы образования и накопления дефектов, в том числе и трещин, рассмат-
риваются в современной литературе с точки зрения дислокаций. Известны более де-
сяти механизмов образования трещин в результате взаимодействия дислокаций с
препятствиями и между собой. Для ФП важна малоцикловая механическая выносли-
вость: способность материалов (припоя, кремния) сопротивляться усталости, т. е.
повреждению под действием переменных напряжений. При этом зависимость долго-
вечности от циклической или упругоциклической деформации представляется сле-
дующим образом [2, 68]:
д£(Ъ = дг-0,6 1п _1_ + VXTfl-, (2 J 9
1-у Е
где - полный диапазон деформаций; N - число циклов; <зв - предел упругости
материала; - уменьшение поперечного сечения; Е - модуль упругости.
586
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Вклад пластической деформации в суммарную деформацию определяется первым
членом уравнения, он преобладает при небольших количествах циклов, в то время
как второй, представляющий вклад упругих деформаций, превалирует при больших
значениях N.
Для расчета количества циклов до отказа ФП можно использовать следующее вы-
ражение [73]:
Г 2h Y'
W = £Ae"^(T)-------- , (2.1.10)
где Де™ - допустимая степень деформации; к - постоянный коэффициент (зависит от
условий испытаний); h - толщина кремния; / - длина ФП по диагонали; Др - разность
коэффициентов термического расширения кремния и подложки; ДГ- температурный
диапазон за цикл термоциклирования; Ф(7) - коэффициент, учитывающий макси-
мальную температуру цикла.
Повреждение ФП, возникающее при количестве термоциклов N, можно рассмат-
ривать как двухстадийный процесс возникновения и развития повреждений, т. е.
N= jVj + N2 > где N\ характеризует деградацию по критериям усталости, a N2 - за счет
хрупкого разрушения.
При термоциклировании ФП работают в условиях значительных механических и
температурных воздействий непосредственно на полупроводниковый материал. Ме-
ханические и температурные напряжения возникают как в процессе изготовления,
так и при эксплуатации СБ. В связи с этим большой интерес представляет определе-
ние механических напряжений в полупроводниковом материале пластины ФП, изго-
товленном, например, из монокристаллического кремния, после различных техноло-
гических операций. В [74] изложены результаты рентгеновских измерений величины
механических напряжений и деформаций кремниевых ФП. Определены поля дефор-
маций и напряжений в ФП и сделаны оценки абсолютных значений этих напряжений
в точках на поверхности ФП.
Сравнение механических напряжений в кремниевых ФП с паяными и сварными
коммутационными шинами показало преимущество применения сварки для комму-
тации ФП с точки зрения снижения механических напряжений в ФП и, в конечном
счете, для увеличения ресурса работы СБ при термоциклировании.
2.1.5. Температурная деградация (тепловое старение)
Механизм термической деградации ФП рассмотрен в [75]. Этот вид деградации
обусловлен в основном качеством материала базы и контактной системы. Выявлено,
что причиной недостаточной термостабильности кремниевых ФП является образова-
ние силицидов металлов на границе «полупроводник-контакт», приводящее к шун-
тированию р-п перехода. Известные методы предотвращения данного эффекта состо-
ят в нанесении на подконтактные области слоя аморфного кремния или пленок сили-
цидов Rh, Pd, Pt, Та, выполняющих функцию диффузионного барьера. Предлагается
для повышения термостабильности кремниевых ФП легировать подконтактные об-
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕСОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
587
ласти р-п перехода. При наличии контактов типа Ti-Pd-Ag ток короткого замыкания
возрастает на 10% после отжига при 600°С.
При температуре меньше 200°С скорость деградации мала, а при увеличении тем-
пературы до 300°С и выше - настолько велика, что Vxx и /кз заметно уменьшаются.
Последовательное сопротивление Rn при этом сначала быстро растет, а затем стаби-
лизируется. Исследование зависимости Rn от температуры позволило получить энер-
гию активации теплового старения Еа = 1,86 эВ, которая используется как параметр в
уравнении Аррениуса при оценке деградации ФП.
Таким образом, температурная деградация может снизить ресурс СБ. Особенно
заметно ее влияние в конце ресурса, когда в результате повышения коэффициента
поглощения солнечного излучения температура СБ повышается приблизительно на
10-15°С.
Зависимость суммарной деградации, обусловленной процессами изменения пара-
метров различных элементов ФП, оценивается с помощью упоминавшегося выше
уравнения Аррениуса. Входящая в это уравнение энергия активации Еа определяется
экспериментально для конкретной конструкции ФП. Прогнозирование ресурса рабо-
ты ФП при повышенной температуре тп.т. осуществляется на основании следующего
выражения:
%.т. = %аб еХР
(2.1.11)
где Траб - ресурс ФП при температуре Граб; Гп.т. - повышенная температура, [К].
Эта формула широко применяется для определения режимов ускоренных назем-
ных испытаний ФП.
2.1.6. Оптическая деградация фрагментов СБ, возвращенных с ОКС «Мир»
Под оптической деградацией СБ обычно понимают снижение генерируемой мощ-
ности из-за изменения оптических параметров защитных стеклянных пластин, а так-
же элементов конструкции, например, клеящих составов. Многочисленные исследо-
вания, а также практические результаты, полученные при работе СБ в космосе, пока-
зали, что оптическая деградация может внести существенный вклад в ухудшение
энергетических параметров. Для СБ низкоорбитальных КА в большинстве случаев
оптическая деградация является основным видом деградации. Поэтому исследование
материалов, экспериментальных структур и отдельных конструктивных элементов
СБ после длительного экспонирования на низких околоземных орбитах может дать
ценную информацию о процессах старения материалов в космосе, источниках за-
грязнений оптической системы СБ, о химическом составе, структуре и механизме
образования загрязнений.
Уменьшение генерируемой мощности СБ, обусловленное изменением интеграль-
ного коэффициента пропускания, может быть вызвано целым рядом причин, к кото-
рым относятся объемное радиационное окрашивание защитных стекол под влиянием
ионизирующих излучений, загрязнение продуктами СВА КА, эрозией поверхности
под действием потоков твердых микрочастиц и т. п.
588
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Были исследованы фрагменты СБ, возвращенной с ОКС «Мир» после 10,5 лет ра-
боты, и экспериментальные структуры материалов и конструктивных элементов СБ
после 4,5 лет их экспонирования на внешней поверхности ОКС «Мир».
Характерной чертой конструкции ФП исследовавшихся ФП является наличие
двойного защитного слоя ФП с обеих сторон - стеклоткани и стеклянных плас-
тин [76-78].
Визуальный анализ оптической деградации образцов показал, что под лицевыми
стеклянными пластинами каучук и лаки сохранили структуру, прозрачность и адге-
зию к стеклу, но изменили свой цвет, однако в меньшей степени, чем незащищенные.
Под тыльными пластинами с алюминиевым покрытием лаки и каучук сохранили
свои исходные оптические и механические свойства - цвет, структуру и адгезию.
Незащищенные слои каучука на стеклоткани были покрыты пленкой с цветами по-
бежалости светло-желтого цвета (образцы с ресурсом 4,5 года) и более интенсивного,
янтарного цвета (образцы с ресурсом 10,5 лет). Под пленкой были обнаружены слои,
сохранившие свои исходные свойства. Были выявлены различные загрязнения: бе-
лый осадок, радужная пленка, желтые пятна. В качестве главного источника загряз-
нений был указан каучук СКТНФ, входящий в структуру ФП.
Для стеклянных пластин толщиной 0,17 мм с различными адгезивами, экспониро-
вавшихся в космосе в течение 4,5 лет, были измерены коэффициенты пропускания и
отражения в диапазоне длин волн 400-850 нм. Зарегистрированные изменения коэф-
фициента пропускания АТ приведены в табл. 2.1.4.
Как следует из таблицы, для всех структур изменение оптических свойств в ко-
ротковолновой части видимой области спектра было выше, чем в области
600-850 нм. Принимая во внимание спектральную чувствительность ФП, можно
оценить деградацию мощности СБ на низкой околоземной орбите за 10 лет в 2-3%. В
перспективе по мере развития новых адгезивных материалов это значение может
быть снижено до 1% и менее.
Методом ИК-спектроскопии были исследованы наружные и внутренние слои
незащищенных пленок каучука СКТНФ на стеклоткани после экспонирования в
космосе в течение 10,5 лет.
Показано, что каучук сохранил в них свою основную структуру, несмотря на зна-
чительные изменения в органическом обрамлении. Исследование этих слоев другими
Таблица 2.1.4
Значения АТ, %, стеклянных пластин с различными адгезивами
после экспонирования в космосе
Название адгезива Длина волны, нм
400 418 500 600 700 750 850
139-240 7 6,5 4,5 4,5 4,5 4 4
СКТНФ 8 8 6,5 6,5 7 6 6
КО-989 19 18 10,5 14 13,5 13 13,5
139-240-СКТНФ-139-240 7 6,5 5 5 5 4,5 4,5
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
589
методами позволило получить сведения об их структуре и элементном составе. Ме-
тодом РДМА было установлено, что верхний слой толщиной 0,01-0,3 мкм довольно
хрупкий и имеет микротрещины. Частицы слоя имели круглую форму, а также со-
держали внедренную фазу других частиц круглой формы диаметром от 0,1 до
5 мкм [78]. Элементный состав слоя включал кремний, кислород, олово, а состав фа-
зовых включений не отличался от состава основного материала каучука. Методом
ЯМР в составе слоя на стеклоткани были найдены также производные метилсилокса-
нов и соединения ароматического ряда, что подтверждает характер изменений в кау-
чуке, выявленный с помощью ИК-спектроскопии.
На образцах с 10,5-летним ресурсом был выполнен анализ загрязнений. Доказано,
что белый осадок является аморфным оксидом кремния [45]. Исследование белого
осадка на поверхности лицевых и тыльных стеклянных пластин с помощью скани-
рующего электронного микроскопа показало, что он имеет многослойную структуру
с толщиной до 3 мкм, а частицы осадка отличаются размерами, формой и расположе-
нием (рис. 2.1.19) [78, 79].
Более точным методом электронной спектроскопии для химического анализа с
пределом обнаружения элемента 10-7-10-9г наряду с кремнием и кислородом в
белом осадке на глубине 3-5 нм были найдены значительные количества углерода
(45-47 ат. %).
В линии кремния было выделено две компоненты. Первая из них (с энергией свя-
зи 103,7 эВ) вероятно обусловлена присутствием на поверхности SiO2, а вторую
можно отнести к атомам кремния, входящим в группу типа O-Si-O, т. е. скорее всего
в полисилоксановые соединения.
В линии углерода было обнаружено три компоненты: С-С/С-Н (энергия связи
285,0 эВ), С-0 (286,5 эВ) и С=О (288,0 эВ). Обнаружение в глубине осадка соеди-
нений, содержащих силоксановые мостики, карбонильные группы и группы
С-С/СН, свидетельствовало о наличии нескольких промежуточных продуктов
структурных превращений каучука СКТНФ. Такими продуктами могут быть, на-
пример, полисилоксаны с гидрированными метильными и фенильными группами,
полисилоксаны с кислородосодержащими группами и т. д. Таким образом, можно
предположить, что превращение каучука СКТНФ в неорганическое вещество SiO2 -
это постепенный, длительный по времени процесс, происходящий в несколько ста-
Рис. 2.1.19. Загрязнение лицевой поверхности стекла К-208 после 10,5 лет экспозиции:
а - частиц круглой формы в белом осадке, х 2 000; б - то же, х 5 000;
в - участок с редко расположенными ориентированными частицами, х 5 000;
г - участок с компактно упакованными ориентированными частицами, х 5 000
590
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
дий через образование различных промежуточных соединений. Об этом косвенно
свидетельствует также многослойность структуры осадка, различная форма и раз-
мер его частиц.
На лицевых защитных стеклах были обнаружены внешние загрязнения, содержа-
щие Са, Fe, Р, S, С1.
Таблица 2.1.5
Составляющие оптических потерь СБ на ппзкоорбитальпых КА
Процесс взаимодействия СБ с космической средой и системами КА Результат взаимодействия Уровень деградации за 10 лет, %
Объемное радиационное окрашивание защитных стекол изменение коэффициентов поглощения, излучения и пропускания стекол, термооптическая деградация 1-2
Потемнение клеящих составов уменьшение коэффициента пропускания 2-3
Эрозия поверхности стекол уменьшение коэффициента пропускания 2-3
Загрязнение поверхности продуктами СВА и внутренними источниками изменение оптических параметров 2-3
Таблица 2.1.6
Характеристики деградации СБ под действием различных факторов космической среды
Воздействующий фактор, вид деградации Диапазон параметров Деградация в % за 10 лет полета
НО ГСО НО ГСО
Радиация по данным [1, 16, 17] 2-3 15
Термическое старение +80°С +55°С 0,5 0,5
Термоциклирование -80-+80°С 6000 тц-год’1 -170-+55°С 90 тц-год-1 3-5 4-8
Электромагнитное излучение Солнца 0,002-0,35 мкм 0,35-1,3 мкм 2-3 2-3
Атомарный кислород 7,5-1020 см 2-год 1 (для 500 км) - 2,5-3 -
Низкоэнергетические электроны (электризация) и электрическая дуга - 0,1-0,9 нА-см-2 при Е = 1-50 кэВ 3-4 (дуга) 5-9 (электризация и дуга)
Метеороиды и космический мусор Т= 10-20 км-с Р = 0,5- Г1; d= 150 мкм; 2,8 г-см-3 2-2,5 2,5-3
Собственная внешняя атмосфера по данным [42-44] 1-2 1-10°
В зависимости от материалов, конструкции и внешних условий эксплуатации СБ.
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
591
Корректное вычисление уровней оптической деградации СБ под влиянием косми-
ческого окружения и систем КА является достаточно трудным из-за необходимости
учета в расчетах конкретной геометрии КА и ограниченности информации по не-
скольким видам эффектов, например по эффектам синергического влияния атомар-
ного кислорода и вакуумного ультрафиолета на толщину слоя загрязнений. Кроме
того, точность оценок значительно зависит от размера СБ, ее ориентации относи-
тельно Солнца и т. д. Несмотря на это, метод экспертных оценок позволяет получить
значения оптических потерь, достаточно хорошо коррелирующие с практическими
результатами. В табл. 2.1.5 представлены полученные указанным методом результа-
ты определения оптических потерь СБ на низких околоземных орбитах. Общий уро-
вень деградации мощности СБ при независимых воздействиях составляет 6,8-11,5%,
что хорошо коррелирует с общими оптическими потерями, равными 8% для панели
СБ, возвращенной с ОКС «Мир» [77, 79].
На основании рассмотренных в настоящей главе процессов деградации СБ в ре-
зультате воздействия ФКП и оборудования КА можно сделать обобщенные оценки
вклада различных факторов. Результаты таких оценок представлены в табл. 2.1.6,
где использованы следующие обозначения: НО - низкие орбиты; ГСО - геостацио-
нарная орбита; тц - термоцикл.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ландсман А.П., Васильев А.М. Полупроводниковые фото преобразователи. М.: Советское радио, 1971.
2. Летин В.А., Заявлин В.Р., Губанова И.А. Солнечные батареи. Вопросы деградации. М.: Информэлект-
ро. Электротехн. пром-сть, сер. 22 Источники тока, 1988, вып. 13,43 с.
3. Коротеев А.С., Кошеляев Е.М., Решмин А.И. Космическая энергетика сегодня и завтра. Известия Ака-
демии Наук, Энергетика, 2001, № 5, с. 1-16.
4. Летин В.А. Солнечные батареи космических аппаратов. Вооружение. Политика. Конверсия, РАРАН,
2003, № 6, с. 34-40.
5. Swanson R.M. Approaching the 29% limit efficiency of silicon solar cells. 31th IEEE Photovoltaic Specialist
Conference. Colorado Springs Resort Lake Buena Vista, USA, January 3-7, 2005, Conference Record,
pp. 889-894.
6. Zhao J., Green M.A., Wang A. High efficiency PERT cells on a variety of single crystalline silicon substrates.
16th European Solar Energy Conference 1-5 May, 2000, Glasgow.
7. Honsberg C. et al. 685 mV open circuit voltage lazer grooved silicon solar cell. 17th PVSEC, 1993,
pp. 89-90.
8. Zhao J. et al. 24,5% efficiency silicon pert cells on MCZ substrates and 24,7 efficiency silicon PERL cells on
FZ substrates. Prog. Photovoltaics, 1999, 7, pp. 471-474.
9. McIntosh K.R. et al. The Choice of silicon wafer for the production of low-cost rear-contact solar cells. 3rd
WCPEC, 2003, pp. 40-D10-05.
10. Brown A.S., Green M.A. J. Appl. Phys., 2004, v. 96, No 5, p. 2603.
11. Ross R.T., Nozik A.J. J. Appl. Phys., 1982, v. 53, p. 3813.
12. Carlson D.E., Wronsky C.R. Electron. Mater., 1977, No 6, p. 95.
13. Madan A., Ovshinsky S.R. Philos. Mag. B, 1979, v. 40, p. 259.
14. Надоров В.П., Каган М.Б., Полисан А.А., Елисеев В.Б. Энергоустановки на основе фотоэлектрических
преобразователей энергии и металлгидридных аккумуляторов. Автономная энергетика. МГО «КВАНТ-
ЭМП», 1995, № 1(6), с. 3-7.
15. Крейнин Л.Б., Григорьева Г.М. Солнечные батареи в условиях космической радиации. ВИНИТИ АН
СССР. Итоги науки и техники, сер. Исследование космического пространства, 1979, т. 13, 128 с.
16. Carter J.R., Tada H.Y. et al. The Solar Cell Radiation Handbook. USA J.P.L., 1983.
592
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
17. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы. М.: Энергоиздат, 1987, 280 с.
18. Махотин Д.Ю., Цетлин В.В., Летин В.А. Оценка поглощенной дозы в фотопреобразователях возвра-
щенной панели солнечной батареи станции «Мир». Гелиотехника, 2004, № 4, с. 3-9.
19. Гецелев И.В., Зубарев А.И., Пудовкин О.Л. Радиационная обстановка на борту космических аппара-
тов. ЦИПК, 2001,318 с.
20. Махотин Д.Ю., Кочкин В.Н., Цетлин В.В. Реализация в среде MATLAB алгоритма расчета характери-
стик электронного излучения при прохождении через слои вещества, содержащие объемный электри-
ческий заряд. Труды Всероссийской научной конференции. М.: ИПУ РАН, 2002, с. 61-67.
21. Grigorieva G.M., Kagan М.В., Letin V.A. et al. Analysis of geostationary spaceorbit solar arrays degradation
from solar proton flares. Proc, of 6th ESPC, 6-10 May, 2002, Porto, Portugal, p. 725-731.
22. Letin V.A., Kagan M.B., Nadorov V.P. et al. Next generation Russian solar arrays for geostationary spacecraft
with 10-15 years life time. PVSEC-12, 11-15 June 2001, Jeju, Korea, pp. 777-778.
23. Letin V.A., Chehovich V.N., Gatsenko L.S., Evtejev G.P. et al. Solar arrays based on the network substrate.
Proc, of 6th ESPC, 6-10 May 2002, Porto, Portugal, pp. 623-628.
24. Акишин А.И., Новиков Л.С. Электризация космических аппаратов. М.: Знание, 1986, 64 с.
25. Антонов В.А., Пономаренко А.Г. Лабораторные исследования эффектов электризации космических
аппаратов. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1992, 115 с.
26. Stevens N.Y., Rosen A., Jnouye G.T. Communication satellite experience in the seventies. AIAA Pap., 1987,
No 473, pp. 1-8.
27. Obsen R.C. Record charging events from applied technology satellite 6. J. Spacecraft and Rockets, 1987, v. 24,
No 4, pp. 362-366.
28. Bogus K., Classens C., Lechte H. Investigations conclusions on the ECS-solar array in orbit power anomalies.
18th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 1985, pp. 368-375.
29. Летин В.А. Проблемы электризации солнечных батарей космических аппаратов. Космонавтика и раке-
тостроение, 2003, № 1, с. 43-53.
30. Fredericson A.R. et al. Radiation induced insulator discharge pulses in the CRRES I internal discharge moni-
tor satellite experiment. IEEE Transactions, 1991, v. 38, No 6, pp. 1614-1621.
31. Wren G.L. Conclusive evidence for internal dielectric charging anomalies on geosynchronous communica-
tions spacecraft. J. of Spacecraft and Rockets, 1995, v. 32, No 3, pp. 514-520.
32. Fredericson A.R. Upsets related to spacecraft charging. IEEE Trans, on Nucl. Science, 1996, v. 43, No 2,
pp. 426-441.
33. Бордина H.M., Летин В.А. Влияние электризации на параметры солнечных батарей при лабораторном
моделировании среды. Гелиотехника, 1993, № 2, с. 3-11.
34. Бордина Н.М., Князев Б.Н., Летин В.А., Ягушкин Н.И. и др. Исследование влияния поля объемного за-
ряда на характеристики кремниевых фотопреобразователей. Гелиотехника, 1987, № 2, с. 6-10.
35. Бордина Н.М., Кушлянская И.М., Летин В.А., Спиглазов А.Н. Температурная зависимость электрораз-
рядных процессов в стекле К-208. Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и элементов космиче-
ских аппаратов. Материалы Всесоюз. научно-технической конф., Томск, 25-27 июня 1991 г., с. 136-137.
36. Летин В.А., Акишин А.И., Бордина Н.М., Заявлин В.Р. и др. Возникновение дугового разряда между
участками солнечных батарей в вакууме. Гелиотехника, 1990, № 1, с. 75-76.
37. Летин В.А., Бордина Н.М., Заявлин В.Р. и др. Экспериментальное моделирование действия факторов
космического пространства на солнечную батарею. Гелиотехника, 1993, № 3, с. 3-9.
38. Летин В.А., Бордина Н.М., Заявлин В.Р., Спиглазов А.Н. и др. Экспериментальные исследования дуго-
вого разряда между участками солнечной батареи при облучении ее электронами в вакууме. Гелиотех-
ника, 1991, № 4, с. 23-26.
39. Лидоренко Н.С., Рябиков С.В., Далецкий Г.С., Колтун М.М. и др. Оптимизация оптических и теплофи-
зических характеристик покрытий для электромагниточистых солнечных батарей. Гелиотехника, 1983,
№ 1,с. 3-5.
40. Летин В.А., Заявлин В.Р., Еремин П.А. Комплексное воздействие факторов космического пространст-
ва при термовакуумных испытаниях солнечных батарей. Космические исследования, 1999, т. 37, № 3,
с. 329-331.
ГЛАВА 2.1
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
593
41. Marvin D.C., Hwang W.C., Amoid G.S., Hall D.F. Proc, of the 23rd Intersoc. Energy Conf., Denver, Colo.
July 31 - August 5, 1988. New York, 1988, v. 3, pp. 103-105.
42. Михайлов M.M., Рылкин Ю.А. Установка для исследования свойств материалов, имитирующая усло-
вия космоса. ПТЭ, 1991, № 3, с. 180-181.
43. Грилихес В.А., Заявлин В.Р., Летин В.А., Порецкий С.А., Честа О.Н. Влияние факторов космического
пространства на ресурс фотопреобразователей геостационарных аппаратов. Гелиотехника, 1994, № 3, с. 3-6.
44. Беляева А.И., Дрожжин Н.В., Коноводченко Е.В. и др. Газоотделения черных глубокоматовых эмале-
вых покрытий. Оптический журнал, 1993, № 4, с. 31-34.
45. Отчет по послеполетному исследованию возвращенного на Землю фрагмента монтируемой солнечной
батареи 17 КС 5810. РКК «Энергия» им. С.П. Королева. НПП «Квант», 1999, 216 с.
46. Christie Р. Applicability of long duration exposure facility environmental effects data to the design of space.
Station Freedom electrical power system. AIAA-92-0943, pp. 1-15.
47. Marcovitz E.C. MILSTAR reaction control thruster plume definition: Methods and results. LMSC D/62-19
TSS-302, May 21, 1986.
48. Dever J.A., Bruckner E.J., Scheiman D.A., Stidham C.R. Contamination and space environmental effects on
solar cells and thermal control surfaces. Journal of Spacecraft and Rockets, v. 32, No 5, September-October
1995, pp. 850-855.
49. Hall D.F., Thomas B. Photo-enhanced contamination deposition. Preprint AIAA N85-0952, 1985.
50. Летин В.А., Холева M.H., Заявлин B.P. Деградация фотоэлектрических батарей космических аппаратов
от микрометеоритов и осколков. Гелиотехника, 2002, № 1, с. 7-16.
51. Климук П.И., Забелина И.А., Гоголев В.А. Визуальные наблюдения и загрязнение оптики в космосе.
Л.: Машиностроение, 1984, 221 с.
52. Letin V.A., Nadiradze А.В., Novikov L.S. Forecasting influence of solid microparticles on spacecraft solar
array. Proc, of 7th ESPC, Stresa, Italy, 9-13 May 2005 (ESA SP-589, May 2005).
53. Christie P. Property changes induced by the space environment in polymeric materials on LDEF. AIAA
92-0790, pp. 1-7.
54. Меншиков В.А., Поставит И.А., Пчелищев Л.А. Метод оценки вероятности столкновения космическо-
го аппарата с ненаблюдаемым космическим мусором. Космические исследования, 1997, т. 35, №6,
с. 618-623.
55. Забелина И.А. Воздействие факторов космического пространства на оптические приборы. Оптический
журнал, 1997, т. 64, № 7, с. 3-19.
56. Gerlach L., Newns Н.М., Paarmann С., Bebermeir Н., Mende Т., Bolgers Е. Hubble Space Telescope and
EURECA Solar Generators a Summary of the Post-Flight Investigation. Proc, of 4th ESPC, Poitiers, France,
4-8 September 1995, pp. 5-20.
57. Look H., Flahery R. Meteoroid impacts on the Gemini windows. Planetary and Space Science, 1970, v. 18,
No 7, pp. 953-964.
58. Алавердов В.В., Благун В.П., Головко А.В., Левицкий Ю.Е., Лукьященко В.И., Михайлов М.А., Чека-
лин С.В., Яковлев М.В. Проблема технического засорения околоземного космического пространства.
Космонавтика и ракетостроение, 1999, № 5, с. 158-162.
59. Надирадзе А.Б. Исследование деградации характеристик планарных солнечных батарей под действием
твердых частиц естественного и искусственного происхождения. Кандидатская диссертация МГАИ
(технический университет). М., 1994, 243 с.
60. Забелина И.А. Проблемы загрязнения оптики в космосе. Оптический журнал, 1992, № 8, с. 23-35.
61. Kimber R. The electrical design of solar arrays for communication satellites. Proc, of First ESPC, Madrid,
Spain, 1989, pp. 745-749.
62. Nahara H.K. Assessment of the effects of space debris and meteoroids environment on the space station solar
array assembly. Proc, of 20th IEEE Photovoltaic Spec. Conf., Las Vegas, Nev., Sep. 26-30, 1988, pp. 868-873.
63. Новиков Л.С. Частицы космического мусора в околоземном пространстве и методы их изучения. Ин-
женерная экология, 1999, №4, с. 10-19.
64. Paillous A. Exposition des satellites en orbite basse a 1’oxygene atomique. Teclinoloque de I’environmert
spatial. Touluse, France, 1987, pp. 353-375.
65. Poeck D. Proc, of the First ESPC, Madrid, 1989, pp. 771-774
594
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
66. Кузнецов О.А., Погалов А.И., Сергеев В.С. Конструктивные и технологические способы повышения
прочности паяных соединений при теплосменах. Обзоры по электронной технике, сер. 3 Микроэлек-
троника, вып. 3(1025). М.: 6 ЦНИИ Электроники, 1984, 35 с.
67. ГОСТ 25.504-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления
усталости. М.: Изд-во стандартов, 1982, 80 с.
68. Дорошенко В.Г. Влияние термоциклирования на характеристики полупроводниковых фотопреобразо-
вателей. Электронная техника, 1980, сер. 8, вып. 8(86), с. 28-32.
69. Заявлин В.Р., Летин В.А., Самсонов Б.А. Термоциклическая деградация солнечных батарей. Гелиотех-
ника, 1992, № 3, с. 17-21.
70. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука, 1983, 290 с.
71. Мороз Л.С.Механика и физика деформаций и разрушений материалов. Л.: Машиностроение, 1984, 224 с.
72. Olsen D.R., Berg Н.М. Properties of die bond alloys relating of thermal fatige. IEEE Transact on Compo-
nents, Hybrids and Manufacturing Technology, 1979, June, v. CHMT-2, No 2, pp. 257-262.
73. Скопенко А.И., Махненко В.И. Упруго-пластические деформации в многослойных паяных соединени-
ях полупроводниковых приборов при циклических теплосменах. Автоматическая сварка, 1974, т. 252,
№ 3, с. 33-36.
74. Летин В.А., Самсонов Б.А., Дворкин Ю.В., Евтеев Г.П. Определение напряженно-деформированного
состояния кремниевых фотопреобразователей методом рентгеновской спектрометрии. Автономная
энергетика. МГО «КВАНТЭМП», 1993, № 1(4), с. 17-21.
75. Thermal stability of impurities in silicon solar cells. Rec. Proc, of 15th IEEE Photovolt. Spec. Conf. Kissimee,
N.Y., 1981, pp. 522-526,534-538, 11 1 1-11 16, 1 157-1 163.
76. Летин В.А., ГаценкоЛ.С., Байбакова H.H. Исследование экспериментальных структур и материалов
солнечных батарей после длительного экспонирования на орбитальной станции «Мир». Автономная
энергетика, 2004, № 17-18, с. 3-22.
77. Letin V.A. Optical, radiation and thermal cycling losses of power solar array returned from orbital station
«MIR» after 10,5 years of operation. Proc, of 6th ESPC, Porto, Portugal, 6-10 May 2002 (ESA SP-502, May
2002), pp. 713-718.
78. Letin V.A., Deev I.S., Gatsenko L.S. et al. Structure and composition research of non-metallic materials of
solar array retrievaled after long-term exposure overboard the «MIR» orbital station. ICP MSE-6, Toronto,
Canada, 1-3 May 2002, pp. 7-20.
79. Летин В.А., ГаценкоЛ.С. Некоторые аспекты оптической деградации солнечных батарей на низких
околоземных орбитах. Гелиотехника, 2005, № 4, с. 6-15.
ГЛАВА 2.2
ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Соловьев Г.Г., Новиков Л.С.
НИИ ядерной физики МГУ
Список сокращений
КА космический аппарат
ТРП терморегулирующее покрытие
УФ ультрафиолетовое (излучение)
ФКП факторы космического пространства
ЭМИ электромагнитное излучение
э. с. с. эквивалентные солнечные сутки
ВВЕДЕНИЕ
Нормальное функционирование космического аппарата (КА) в значительной сте-
пени определяется поддержанием в полете необходимого температурного режима
аппарата в целом и отдельных его элементов. Системы обеспечения теплового режи-
ма КА принято разделять на активные и пассивные.
Активные системы терморегулирования - это комплекс технических средств,
обеспечивающих теплообмен между элементами конструкции КА с использованием
теплоносителей (жидкостей или газов). Они могут поддерживать требуемые темпера-
турные режимы систем КА путем подвода тепла от специальных источников, напри-
мер, электронагревателей с автоматически регулируемой мощностью, или отвода
596
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
тепла при помощи микрохолодильных машин. При этом отвод избыточного тепла в
окружающее пространство осуществляется с помощью специальных радиаторов. Ха-
рактерной особенностью таких систем является возможность принудительного изме-
нения режима работы при реакции на тепловое возмущение от внешних или внут-
ренних источников. Методы проектирования активных систем обеспечения теплово-
го режима КА, расчета внешних тепловых потоков и температурных полей элементов
конструкции, анализа стационарного и нестационарного теплообмена и смежные
вопросы рассмотрены в работах [1-10].
В основу пассивных систем термостабилизации КА положено использование на-
носимых на поверхность аппарата терморегулирующих покрытий (ТРП), обеспечи-
вающих необходимый режим лучистого теплообмена между поверхностью КА и ок-
ружающим пространством.
В общем виде тепловой баланс на поверхности КА в стационарном состоянии
можно представить в виде:
^внутр ^внешн = 2излуч, (2.2.1)
где (?внутр - тепловой поток, подводимый к поверхности изнутри КА; бвнешн - погло-
щенный тепловой поток из окружающего пространства; 2излуч - тепловой поток, из-
лучаемый поверхностью КА.
Основной составляющей потока бвнешн является прямое солнечное излучение. На
низких орбитах дополнительный вклад дают потоки солнечного излучения, отражен-
ного от атмосферы и поверхности Земли, а также собственного теплового излучения
земной поверхности. На температуру отдельных узлов КА могут оказывать влияние
лучистые потоки, переотраженные элементами конструкции.
В предположении, что тепловой поток на внешнюю поверхность КА обеспечива-
ется только прямым солнечным излучением, температура Т поверхности плоского
элемента КА, расположенного перпендикулярно к направлению солнечных лучей,
определяется выражением:
Г = (Ла1/СТС)1/4, (2.2.2)
где Js - тепловой поток солнечного излучения; а5 - коэффициент поглощения сол-
нечного излучения; е - степень черноты поверхности (коэффициент излучения); о -
постоянная Стефана-Больцмана.
Выражение (2.2.2) не включает температуру окружающего космического про-
странства, поскольку она составляет ~4 К. Таким образом, температура Т зависит от
отношения а5/ е.
Коэффициенты а5и е определяются следующим образом:
00 /оо
(2-2.3)
о /о
оо /оо
е= (2-2.4)
о /о
где и - спектральные коэффициенты поглощения и излучения; Лд, Лчтд - энер-
гетические спектры излучения Солнца и абсолютно черного тела при заданной тем-
ГЛАВА 2.2 ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ...597
пературе. Так как около 95% энергии излучения Солнца приходится на диапазон
длин волн 200-2 500 нм, то пределы интегрирования в приведенных формулах можно
ограничить этим диапазоном.
В зависимости от конкретных задач термостабилизации элементов оборудования
КА используют ТРП с различными значениями коэффициентов cxs и 8. При этом вы-
деляют следующие классы ТРП:
• «истинные поглотители» (а => 1, 8 => 0);
• «истинные отражатели» (а => 0, 8 => 1);
• «солнечные поглотители» (cxs => 1, 8 => 0);
• «солнечные отражатели» (cxs. => 0, 8 => 1).
При определении параметров (а, 8) истинных поглотителей и отражателей интег-
рирование в формулах (2.2.3) и (2.2.4) производится по неограниченному диапазону
длин волн, а при определении параметров (а5,е) солнечных поглотителей и отража-
телей - по диапазону 200-2 500 нм.
По характеру отражения солнечного излучения ТРП делятся на зеркально и диф-
фузно отражающие. Зеркально отражающие покрытия представляют собой полиро-
ванные или напыленные металлические поверхности, а диффузно отражающие - ор-
ганические или керамические краски. Органические покрытия состоят из пигментов,
в качестве которых используются мелкодисперсные порошки оксидов или солей ме-
таллов (ZnO, TiO2, А120з, Zn2TiO4, ZrO2 и др.), и синтетического высокополимерного
связующего. В керамических красках используются те же пигменты, а связующим
веществом является калиевое жидкое стекло. Размеры частиц пигмента лежат в диа-
пазоне 0,1-1 мкм. Из-за простоты изготовления и нанесения на рабочие поверхно-
сти, а также низкой стоимости наибольшее применение получили белые (cxs ~ 0,2,
8 ~ 0,9) и черные (cxs ~ 0,9, 8 ~ 0,2) керамические и эмалевые ТРП.
Под действием факторов космического пространства (ФКП), таких как корпуску-
лярные излучения, ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца, потоки атомарного
кислорода и т. д., изменяются поверхностные свойства и оптические характеристики
ТРП. Обычно коэффициент cxs белых ТРП увеличивается, а 8 почти не изменяется. У
черных ТРП значения cxs. и 8 практически остаются исходными. Отметим, что изме-
нение оптических параметров ТРП может происходить и за счет загрязнения поверх-
ности конденсирующимися продуктами собственной внешней атмосферы КА.
Задачами натурных и лабораторных исследований стойкости ТРП к воздействию
ФКП являются выбор наиболее стабильных покрытий, прогноз характера изменения
их параметров в условиях полета КА и выработка рекомендаций по повышению
стойкости покрытий.
2.2.1. Результаты натурных испытаний покрытий
Исследования стабильности параметров ТРП проводились на низкоорбитальных и
высокоорбитальных КА с использованием калориметрических датчиков, в основу
действия которых положено измерение температуры образцов ТРП [11-18].
На рис. 2.2.1 представлены данные об изменении коэффициента cxs. ТРП раз-
личного состава, полученные на низкоорбитальном КА «Метеор» (высота орбиты
598
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.2.2. Результаты летных испытаний
ТРИ на высокоорбитальных КА: 1 - эмаль
АК-573; 2 - эмаль АК-512 белая; 3 - силикат-
ное покрытие ТП15; 4 - СОТ1; 5 - ОСО-С;
6 - покрытие из А1, напыленное в вакууме
Рис. 2.2.1. Изменение ссл различных ТРИ
по данным низкоорбитального
КА «Метеор»: 1 - Ф4-МБСБ; 2 - ОСО-С;
3 - ОСО-С + SiO2; 4 - ОСО-А; 5 - В-16,
Тр-СО-3, Тр-СО-4; 6 - Тр-СО-1
600-900 км) [14]. На оси абсцисс указана продолжительность полета t в эквивалент-
ных солнечных сутках (э. с. с.). На рис. 2.2.2 представлены аналогичные данные, по-
лученные на высокоорбитальных КА «Молния» и «Экран» [17, 18].
Проведенные испытания ТРП показали, что для белых диффузно отражающих
свет эмалевых и керамических покрытий наблюдаемые изменения сс5 больше, чем для
зеркально отражающих покрытий. Наименьшей стойкостью обладают покрытия, у
которых в качестве связующего вещества используются органические материалы.
Для всех покрытий коэффициент е оставался практически постоянным.
Определение стойкости ТРП по результатам натурных испытаний сопряжено с
весьма длительными временами экспозиции. Кроме того, данные, полученные на
конкретной орбите, не всегда можно использовать для прогнозирования стойкости
ТРП в условиях эксплуатации на других орбитах. Поэтому основным методом изу-
чения характеристик ТРП для прогнозирования их стойкости к воздействию ФКП
являются лабораторные испытания [19-28].
2.2.2. Методы лабораторных испытаний покрытий
2.2.2.1. Основные принципы испытаний
При проведении лабораторных испытаний возможны два основных подхода.
1. Имитационные испытания, когда в лабораторных условиях как можно точнее
воспроизводятся все воздействующие ФКП. Достаточно точное воспроизведение
космических условий в имитационных установках - задача крайне сложная и прак-
тически неосуществимая.
2. Испытания в условиях, моделирующих космические. Такой подход требует
построения физико-математической модели изменения некоторого определяющего
параметра А материала вследствие воздействия повреждающих факторов с харак-
теристиками х,: A =fiXjA,kn\ где t - время воздействия, кп - параметры модели. По
ГЛАВА 2.2 ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ...599
полученным экспериментальным данным определяются параметры модели кп для
конкретного материала и осуществляется прогнозирование изменения его опреде-
ляющего параметра Л на заданной орбите.
Использование моделирования позволяет проводить ускоренные испытания при
значениях интенсивности излучения выше, чем в натурных условиях и при имитаци-
онных испытаниях, осуществлять замену одного вида излучения другим, а также
предоставляет большие возможности для изучения комплексного воздействия ФКП
на материалы.
Ускоренные наземные испытания, сокращающие времена облучения образцов
ТРП в десятки, сотни и даже тысячи раз по сравнению со временами воздействия
ФКП в натурных условиях, требуют соответствующего увеличения интенсивности
излучений. Степень ускоренности испытаний принято характеризовать коэффициен-
том ускоренности £уск, который равен отношению интенсивностей излучения в лабо-
раторных и натурных условиях, либо обратному отношению продолжительностей
воздействия.
Как было отмечено выше, в случае моделирования необходимо знать специфику
физических процессов, протекающих в исследуемом объекте под действием ФКП.
Например, при исследовании радиационной стойкости ТРП на электронных и ион-
ных ускорителях коэффициент ускоренности испытаний обычно ограничен значе-
ниями куск = 100-1 000 за счет радиационного разогрева испытуемого образца мате-
риала под действием пучка заряженных частиц, радиационно-стимулированной
диффузии, которая зависит от мощности дозы облучения и при лабораторных уско-
ренных испытаниях всегда выше, чем в натурных условиях, радиационного отжига
дефектов, скорость которого также зависит от плотности потока частиц, и т. п.
В составе космического корпускулярного излучения преобладают электроны и
протоны. При исследовании ТРП в лабораторных условиях важно установить отно-
сительный вклад в суммарное радиационное повреждение покрытия обеих состав-
ляющих излучения. Пигменты и связующие неорганического происхождения могут
по-разному реагировать на облучение электронами и протонами. При равных энер-
гиях протоны имеют значительно большее сечение упругих взаимодействий с ве-
ществом, чем электроны. Поэтому виды радиационных дефектов, возникающих в
материале покрытий, в этих двух случаях также могут быть различны.
При дозах облучения ~105-106 Гр имеющиеся в оптических материалах первич-
ные ловушки электронов и дырок, ответственные за образование центров погло-
щения, полностью заполняются. Вновь образуемые дефекты кристаллической ре-
шетки создают дополнительные центры поглощения. Протоны могут вступать в
непосредственное химическое взаимодействие с атомами и молекулами вещества
покрытий, в частности, при протонном облучении возможны процессы восста-
новления окислов металлов с образованием гидроксильных групп. Воздействие на
покрытия протонного излучения более эффективно, чем электронного. Поэтому
при исследовании радиационных процессов и определении стойкости ТРП исполь-
зуют в основном пучки протонов. Учитывая, что толщина активной области боль-
шинства ТРП составляет -100 мкм, энергия протонных пучков, применяемых
для исследования ТРП, может не превышать значений 3-4 МэВ, при которых длина
600
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.2.3. Влияние состава вакуумных
масел на изменение а> керамического
ТРП при облучении протонами
пробега протонов приблизительно соответствует толщине активной области. Про-
тоны с более высокими энергиями будут терять значительную долю энергии в глу-
боких слоях покрытий, состояние которых уже мало влияет на оптические свой-
ства ТРП.
При исследовании радиационного воздействия на ТРП, как правило, используют
пучки протонов с плотностью тока порядка 1 мкА-см-2. При энергиях протонов
0,1-1 МэВ выделяемая пучком мощность на поверхности облученного образца не
превышает 1 Вт-см"2, а температура облучаемой поверхности остается обычно ниже
50-100°С.
При проведении испытаний ТРП необходимо принимать во внимание возмож-
ное влияние вакуумных условий в экспе-
риментальных камерах и температуры
образцов.
Влияние давления и состава остаточного
газа в экспериментальной камере
Результаты исследований изменения
коэффициента а5 керамического ТРП под
действием потока протонов, приведенные
на рис. 2.2.3, свидетельствуют о расхожде-
нии данных при использовании вакуумных
масел разного состава в системе откачки.
Представленные зависимости величины
Да5 = а5 - ал0 от флюенса протонов Ф по-
лучены при использовании в системе от-
качки диффузионного масла ВМ-1 (1) и
полифенилового эфира 5Ф4Э (2).
Проведенные методические исследова-
ния показали, что испытания ТРП должны
проводиться на установках с использова-
нием электроразрядных, турбомолскуляр-
ных и криогенных насосов либо диффузи-
онных насосов с рабочими веществами,
имеющими давление насыщенного пара
ниже ~10”7 Па.
Рис. 2.2.4 характеризует относительное
потемнение эмали АК-573 в зависимости
от общего давления Р и парциального дав-
ления кислорода Р(О2) в испытательной
камере при воздействии УФ-излучсния и
электронов с энергией 30 кэВ [19, 21]. При
Р>10"5Па наличие кислорода в камере
снижает изменение а5 покрытий (эффект
«Отбеливания»). эмали АК-573
10-7.7 10-б,2 10-4,б />(О2), Па
Рис. 2.2.4. Влияние общего давления Р
и парциального давления кислорода /ХОг)
в испытательной камере на изменение а>
ГЛАВА 2.2 ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ...601
Влияние температуры образцов
При воздействии на ТРП электромаг-
нитного излучения (ЭМИ), имитирующе-
го солнечное, и электронов влияние тем-
пературы облучаемых образцов на изме-
нение их коэффициента ос5 выражено
слабо в диапазоне от 50 до 150°С [28].
При облучении протонами с энергиями
10-50 кэВ влияние температуры н& опти-
ческую деградацию эмалевых и керамиче-
ских покрытий тоже незначительно, но
при энергиях протонов 100-500 кэВ оно
уже существенно (рис. 2.2.5). Поэтому,
как правило, испытания ТРП проводят
при температурах не выше 150°С.
Рис. 2.2.5. Изменение а5 покрытия КО-5205
в зависимости от флюенса протонов с
энергией 100 кэВ при разных температурах
2.2.2.2. Лабораторные испытательные установки
Источники излучения
В большинстве случаев моделирующие испытательные установки базируются на
ускорителях заряженных частиц, обеспечивающих облучение покрытий моноэнерге-
тическими пучками протонов в диапазоне энергий ~104-107 эВ и электронов с энер-
гиями ~103-106 эВ. Установки для комплексных испытаний покрытий позволяют
воздействовать на образцы одновременно или последовательно пучками протонов и
электронов, а также ЭМИ.
В качестве примера в табл. 2.2.1 и табл. 2.2.2 приведены параметры ионных и
электронных ускорителей, используемых в НИИЯФ МГУ для проведения испытаний
ТРП и других материалов космической техники [19-23]. В состав ускорительной ба-
зы входят циклотрон, электростатический генератор Ван-де-Граафа, каскадный гене-
ратор, линейные ускорители электронов непрерывного и импульсного действия, раз-
резной микротрон.
Для имитации коротковолнового солнечного излучения в диапазоне длин волн
0,2-10 нм применяют специальные трубки мягкого рентгеновского излучения. Для
имитации вакуумного УФ-излучения (10-220 нм) используются безоконные газораз-
Таблица 2.2.1
Параметры ускорителей ионов
Ускоритель Ускоряемые частицы Энергия частиц Максимальный ток, мкА
120-см циклотрон р, d, 3Не, а-частицы 14n 7,5 МэВ/нуклон И МэВ 20 1
ЭГ-8 р, d, а-частицы 1-2,5 МэВ/заряд 20
КГ-500 р, d, а-частицы 100-500 кэВ/заряд 100
602
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Параметры ускорителей электронов
Таблица 2.2.2
Тип ускорителя Энергия, МэВ Максимальный ток, мА
Линейный ускоритель 6,7 1
1,2 50
Ускоритель с магнитным зеркалом 0,5-2,3 1
Импульсный разрезной микротрон 10-70 40 в импульсе
рядные источники (водородные, гелиевые, аргоновые, ксеноновые и др.), дейтерие-
вые, водородно-дуговые лампы, плазмотроны. Источниками излучения со спектром,
близким к солнечному в ближнем УФ, видимом и инфракрасном диапазонах, явля-
ются дуговые и высокочастотные газоразрядные лампы (ДКсШ, ДКсР, ДРШ, ВКсШ,
ПРК и др.).
Экспериментально-испытательные установки
На ускорителях созданы экспериментальные вакуумные установки, оснащенные
системами мониторинга пучков и системами контроля параметров (электрических,
оптических, механических и др.) исследуемых объектов [23]. Схема типичной экспе-
риментально-испытательной установки представлена на рис. 2.2.6.
Протонный пучок (1) от ускорителя вводится через ионопровод (2) в вакуумную
Рис. 2.2.6. Схема типичной
экспериментальной установки
камеру (8), имеющую фланцы (14). Специальный
отклоняющий электромагнит (3) формирует пучок
протонов и обеспечивает его сканирование в гори-
зонтальной плоскости. Элементы (4-7) используются
для юстировки, перекрытия и контроля пучка. Ис-
следуемые образцы (10) устанавливаются на пово-
ротном диске (12), в котором рядом с каждым образ-
цом имеется щель для прохождения протонного пуч-
ка в цилиндр Фарадея (И), обеспечивающий
измерение тока пучка с помощью блока электроники
(9). Вращение диска производится штоком (13). Для
измерения исходных, промежуточных и конечных
характеристик испытуемых образцов используются
датчики и приборы (15, 16). Установка оснащена
устройством для испытания образцов при темпера-
турах до 600°С.
В табл. 2.2.3 представлены данные о некоторых
других установках, используемых для исследования
стойкости материалов, включая ТРП, к воздействию
ФКП. В таблице указаны обеспечиваемые значения
энергии электронов Ее и протонов Ер и эквивалент-
ная солнечная облученность (ЭСО) от источника
ЭМИ.
ГЛАВА 2,2 ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ...603
Таблица 2.2.3
Установки для изучения комплексного воздействия ФКП на материалы
Организация Ее, кэВ £р, кэВ ЭСО ЭМИ Литература
НИИЯФ МГУ 3-15 5-30 5 [20]
Томский политехнический университет 0,2-50 0,1-150 0,5-10 1-25 [21]
НПО прикладной механики 10-50 10-30 10 [17,18]
ВИАМ 200-400 20-200 1-30 [29]
В качестве примера на рис. 2.2.7 приведена схема стенда космического материа-
ловедения НПО прикладной механики [17, 18].
Измерения коэффициента ос5 покрытий осуществляются накладными фотометра-
ми (рис. 2.2.8). При испытаниях ТРП интегрирующая сфера фотометра должна рас-
полагаться в вакуумной камере. Это связано с тем, что после облучения покрытий с
пигментами из оксидов или солей металлов во время напуска атмосферы в вакуум-
ную камеру концентрация наведенных центров оптического поглощения уменьшает-
ся в результате окисления пигмента (уже упоминавшийся эффект «отбеливания»).
При этом ошибка измерений может достигать 30%.
Рис. 2.2.7. Схема стенда космического материаловедения:
1 - вакуумная камера; 2 - кварцевое окно; 3 - источник света;
4 - монохроматор; 5 - датчик УФ-излучения; 6 - сканирующее
зеркало; 7 - терморегулируемый столик с исследуемыми образцами;
8 - электронный ускоритель; 9 - имитатор Солнца ИС-160;
10 - система измерения потоков частиц; 11 - кварцевое окно;
12 - ускоритель протонов; 13 - фотометрическая сфера
604
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХСИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.2.8. Схема оптической системы измерения коэффициента
as: 1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - диафрагмы; 4 - стенка
вакуумной камеры; 5 - объектив; 6 - зеркала; 7 - интегрирующая
сфера; 8 - фотоприемники; 9 - образец ТРП
Для спектральных измерений образцов покрытий световой поток из интегрирую-
щей сферы подается на вход монохроматора. Степень черноты поверхности образца £
до и после испытаний измеряется терморадиометром.
2.2.3. Результаты лабораторных испытаний терморегулирующих покрытий
Зависимость изменения оптических свойств ТРП от экспозиции и флюенса
излучения
Основное внимание при исследовании воздействия излучений различных видов
на ТРП сосредоточено на установлении закономерности изменения коэффициента ос5
от экспозиции ЭМИ или флюенса заряженных частиц.
На рис. 2.2.9-2.2.11 представлены соответствующие зависимости для случаев
воздействия на ТРП различного состава УФ-излучения, протонов и электронов.
Рис. 2.2.9 характеризует оптическую деградацию покрытия ZnO + полиметилфенил-
силоксан (ПМФС) и покрытия А1 + ПМФС под действием УФ-излучения (кривые 1 и
2 соответственно) [28]. На рис. 2.2.10 показано изменение коэффициента осу покрытия
ZnO + K2SiO3 в зависимости от флюенса протонов с энергией 500 кэВ. На рис. 2.2.11
Рис. 2.2.10. Изменение коэффициента ot.s
под действием протонов
Рис. 2.2.9. Оптическая деградация ТРП
под действием УФ-излучения
ГЛАВА 2.2 ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ... 605
Рис. 2.2.11. Изменение коэффициента as Рис. 2.2.12. Изменение коэффициента as
при воздействии протонов (1,2) покрытия при воздействии
и электронов (3, 4) на ТРП АК-5126 (1,3) УФ-излучения (1), молекулярных ионов
и АК-573 (2, 4) водорода (2) и протонов (3)
представлены зависимости изменения коэффициента ос5 покрытий АК-5126 (1,3) и
АК-573 (2, 4) от флюенса протонов с энергией 200 кэВ (1,2) и флюенса электронов с
энергией 350 кэВ (3, 4) [29].
На рис. 2.2.12 приведены аналогичные зависимости для случаев воздействия на
покрытие Zn2TiO + K2SiO3 УФ-излучения (1), молекулярных ионов водорода Н2+ с
энергией 2 кэВ (2) [28] и протонов с энергией 500 кэВ (3).
Из представленных результатов следует, что облучение протонами оказывает
наибольшее повреждающее воздействие на ТРП.
Зависимость изменения оптических свойств ТРП от энергии излучения
Не менее важным вопросом при изучении воздействия ФКП на ТРП является
определение зависимостей оптической деградации покрытий от энергии излучения.
Экспериментальные данные показывают, что с ростом энергии электронов и прото-
нов до определенного значения эффективность их повреждающей способности уве-
личивается, а затем ее рост замедляется. На
рис. 2.2.13 показана зависимость изменения
коэффициента покрытия АК-573 от энер-
гии протонов.
Аналитическое описание зависимости
Да5 от энергии воздействующих на ТРП час-
тиц позволяет устанавливать эквивалент-
ность результатов при моноэнергетическом
облучении покрытий и при воздействии
излучения с широким энергетическим рас-
пределением. Изменение коэффициента ос5
покрытия можно представить в виде
Дос, = £(Фд(Е)), где функция g определяет-
ся физико-математической моделью, опи-
сывающей оптическую деградацию покры-
Рис. 2.2.13. Влияние энергии протонов
на процесс оптической деградации ТРП
606
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
тия, Ф - флюенс излучения; функция q - энергетическая эффективность воздействия
излучения. При воздействии на ТРП излучения с распределением плотности потока
ф(Е, т) по энергии Е и времени т изменение коэффициента ос5 определяется выра-
жением:
Да, = g( j ]q(EME,T)dEdz). (2.2.5)
о о
При тождественности результатов воздействия излучения с фиксированной
энергией Eq и немоноэнергетического излучения ср(Е, т) имеем:
g(O3KB^0)) = g( j ]q(EME,z)dEdz). (2.2.6)
о о
Если функция g удовлетворяет условию непрерывности и монотонности, по-
лучим [30]:
t ОО
Ф,кз=(| \q{EME,T)dEdT)lq(E.). (2.2.7)
О о
Последнее соотношение применимо при замене одного вида излучения другим и
при выборе режимов комплексного (совместного) облучения покрытий.
2.2.4. Специфика комплексного воздействия излучений
Результаты испытаний ТРП при раздельном, последовательном и одновременном
воздействии излучений разных видов могут существенно отличаться.
В работе [29] представлены результаты исследования воздействия на эмалевые
покрытия АК-512 и АК-573 электронов с энергией 350 кэВ, протонов с энергией
200 кэВ, последовательного электронно-протонного (е, р), протонно-электронного
(р, е) и их совместного (е + р) воздействия. Было установлено, что изменения погло-
щательной способности покрытий при всех указанных вариантах совместного воз-
действия электронов и протонов меньше арифметической суммы оптических повре-
ждений от их раздельного воздействия.
В той же работе предложено характеризовать отклонения от аддитивности с по-
мощью коэффициента аддитивности:
Дад,(х,)
i
На рис. 2.2.14 приведены полученные зависимости ка;х от флюенса электронов и
протонов при трех указанных выше вариантах облучения покрытий. Для покрытия
АК-512 коэффициент кал уменьшается с увеличением флюенса для всех вариантов
облучения, а для АК-573, напротив, возрастает по мере увеличения флюенса, причем
кад — 1 •
Имеющиеся весьма ограниченные данные исследований последовательного и со-
вместного воздействия на ТРП различных излучений космического пространства не
позволяют создать модели, которые учитывали бы и описывали различные проявле-
ГЛАВА 2.2 ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ...607
Рис. 2.2.14. Зависимость коэффициента клд от флюенса частиц Ф
для эмалей АК-512 (а) и АК-573 (б)
ния синергических эффектов. Однако некоторые подходы, которые будут рассмот-
рены ниже, дают возможность прогнозирования оптической деградации ТРП под
действием ФКП на основе экспериментальных данных, полученных при раздель-
ном воздействии на покрытия излучений разных видов.
2.2.5. Процессы оптической деградации покрытий
Для прогнозирования оптической деградации ТРП в условиях космического про-
странства необходимо иметь аналитическую зависимость изменения коэффициента
а5 от характеристик ФКП. Это возможно, если известны как первичные процессы,
протекающие в ТРП под действием ФКП, так и вторичные процессы, в результате
которых образуются центры оптического поглощения. В эмалевых и керамических
покрытиях, представляющих собой многокомпонентную среду, при воздействии
ФКП протекают сложные радиационные и фотолитические процессы.
При поглощении квантов света с энергией больше ширины запрещенной зоны
(табл. 2.2.4) в кристаллах пигмента образуются электронно-дырочные пары, которые
в процессе миграции захватываются исходными ловушками, образуя центры оптиче-
ского поглощения.
Указанные в таблице оксиды, а также соли металлов, которые могут входить в
состав ТРП, являясь фотоэлектрически активными соединениями [31-34], находят
применение в фото- и ядерных эмульсиях. Под действием ЭМИ и корпускулярного
излучения в них протекают процессы образования центров оптического поглощения,
Таблица 2.2.4
Ширина запрещенной зоны оксидов некоторых металлов
Оксиды ZnO TiO2 MgO ZrO2 А120з
Ширина зоны, эВ 3,3 3,3 5,4 5,4 5,6
608
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.2.15. Спектральная эффективность
воздействия УФ-излучения на ТРП:
1 - ZnO + K2SiO3;
2 - ZnO + полиметилсилоксан
которые описываются в рамках теории об-
разования скрытого фотографического изо-
бражения [31]. На рис. 2.2.15 представлены
данные о спектральной фоточувствитель-
ности ТРП двух типов [35-37].
Кроме объемных процессов образования
центров поглощения протекают фотосорб-
ционные и фотодесорбционные процессы
на поверхности кристаллов пигмента [38].
Фотоиндуцированная адсорбция и фотоио-
низация атомов на поверхности кристаллов
изменяют электронное равновесие, которое
приводит к перезарядке поверхностных со-
стояний со смещением уровня Ферми. При
этом на поверхности с участием объемных
неравновесных носителей заряда возникают
связи, присущие только фотоактивирован-
ной поверхности, в результате чего образуются сложные светопоглощающие комп-
лексы.
Образование светопоглощающих комплексов с участием катион- и анион-ради-
калов на границе раздела «пигмент-связующее» проанализировано в работе [28].
В эмалевых покрытиях органические вещества, находящиеся в физически адсорби-
рованном или слабо хемосорбированном состоянии на поверхности пигмента, по-
глощают свет в далекой инфракрасной области. Оксиды металлов, обладая каталити-
ческими свойствами, при воздействии УФ-излучения способствуют эффективному
фотолизу связующего вещества и протеканию различных химических реакций на
границе раздела фаз, в том числе фотодеструкции и фотополимеризации органиче-
ских молекул. При захвате электрона фрагментом фотолиза из полупроводника пиг-
мента или обратном процессе в результате переноса заряда через границу раздела на
поверхности кристалла образуются комплексы с прочной связью, являющиеся цент-
рами оптического поглощения.
Большую роль в образовании центров оптического поглощения играет процесс
генерации дефектов в кристаллах под действием корпускулярного излучения [39].
Возникающие дефекты создают дополнительные центры поглощения, что и обеспе-
чивает более высокую эффективность воздействия корпускулярных излучений на
ТРП по сравнению с воздействием ЭМИ (см. рис. 2.2.12).
Имеющиеся экспериментальные данные [28, 40] показывают, что глубина обра-
зования центров оптического поглощения значительно превышает как толщину
слоя, в котором поглощается УФ-излучение (~1 мкм), так и эффективную длину
пробега протонов. На рис. 2.2.16а приведена зависимость глубины окрашенного
слоя ТРП ZnO + (полиметилфенилсилоксан + акриловая смола) от экспозиции ЭМИ
(X = 200-2 500 нм) [28], а на рис. 2.2.166 - аналогичная зависимость от энергии про-
тонов при поглощенной энергии W= 160 Дж-см“2 [40]. На последнем рисунке пока-
зана также зависимость пробега протонов от их энергии в этом покрытии.
ГЛАВА 2.2 ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ...609
Рис. 2.2.16. Зависимость глубины окрашенного слоя от экспозиции облучения ЭМИ (а) и
энергии протонов (б, кривая 1). Кривая 2 - зависимость пробега протонов от энергии
Зависимость глубины окрашенного слоя X от экспозиции W ЭМИ может быть опи-
сана выражением Х= а + bW\ а при воздействии протонов с энергией Е - выражением
Х= А + ВеСЕ, где а, Ь, с, А, В, С - экспериментально определяемые параметры [28].
Превышение глубины образования центров оптического поглощения в ТРП над
глубиной поглощения воздействующего излучения находит объяснение [28, 38] в
рамках представлений о протекании десорбционно-адсорбционных процессов и про-
цессов переноса заряда на границах раздела «пигмент-связующее» в неупорядочен-
ных структурах.
Рассмотренные процессы не имеют законченного аналитического описания, по-
этому для прогнозирования изменения коэффициента ос5 покрытий используют, в
основном, феноменологические подходы.
2.2.6. Физико-математические модели оптической деградации покрытий
Наиболее простая модель - степенная зависимость [41,42], которая удовлетвори-
тельно описывает начальные участки изменения
Да5 = сц/Р' или Да5 = ос2ФРг, (2.2.8)
где t - время; Ф - флюенс частиц; ос и Р - параметры, зависящие от характеристик
воздействия и свойств ТРП.
Изменение ос5 в случае насыщения описывается [19, 43] модифицированной экс-
понентой вида:
Дос5 = Дос5 max (1 - Z/) или Дос5 = Дос5тах(1 -bF), (2.2.9)
где Дос5 тах - максимально возможное изменение коэффициента as; b < 1.
Созданы более детальные модели, основанные на рассмотрении физических про-
цессов взаимодействия излучений с ТРП. В модели тонкого поврежденного припо-
верхностного слоя [44, 45], априорной модели [19, 25] и модели послойного потем-
нения покрытий [28, 46] применены феноменологические подходы при рассмотрении
610
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
процессов образования в ТРП центров оптического поглощения, с ростом концентра-
ции которых увеличивается коэффициент
В модели тонкого поврежденного приповерхностного слоя с применением фор-
мализма теории возмущений и представления сильно мутной светорассеивающей
среды в виде плоскопараллельных слоев с толщиной, равной среднему размеру дис-
пергированных частиц, получено соотношение
Да, =(l-as0)(l-4£>2(/)), (2.2.10)
где
1
D = J ц е'/(')/цб7ц,
о
ц - косинус угла, под которым распространяется свет в среде;/(0 = *1(1 ~ ехр(-х2/)) -
функция образования центров оптического поглощения в предположении мономо-
лекулярного процесса; х\ и х2 - параметры, определяющие кинетику накопления
центров оптического поглощения; t- время облучения.
Априорная модель использует следующие предположения. Изменение ос5 пропор-
ционально сумме концентраций образовавшихся центров окраски:
Да,сс Jw.,
/=1
где Ni - количество центров окраски z-го типа; т - число типов центров окраски
(полос поглощения).
Увеличение концентрации центров окраски z-го типа зависит от энергии излу-
чения Е и времени облучения t по степенному закону:
dN, / dt = ta‘Efl‘, (2.2.11)
где ci/ и Р/ - постоянные.
Изменение концентрации центров окраски Z-го типа подчиняется закону Арре-
ниуса:
dNJdt = exp(-£a>/./кТ\ (2.2.12)
где к - постоянная Больцмана; Еа> (- энергия активации образования центров ок-
раски.
На основании двух последних предположений записывается уравнение:
dNi / dt = (Not - Nt (/))/“• e'E"lkT, (2.2.13)
решение которого имеет вид:
Да, =YJku^-exp(-k2iEl‘3‘t^e-ki',kT)), (2.2.14)
/=1
где {k[h ..., k5i} - коэффициенты, определяемые из экспериментальных данных.
Модель послойного окрашивания покрытий [46] основана на рассмотрении про-
цесса образования центров оптического поглощения, распространяющегося от облу-
чаемой поверхности в глубину. В данной модели мутная среда также представляется
совокупностью слоев, толщина которых соизмерима со средним размером частиц
пигмента.
ГЛАВА 2.2
ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ...
611
При построении модели вводятся следующие условия. Для окрашивания каждого
слоя необходим одинаковый поток энергии. Потери энергии излучения в слое оста-
ются постоянными в течение всего времени облучения. Окрашивание следующего
слоя начинается только после завершения окрашивания предыдущего.
В рамках данной модели получена следующая зависимость:
( 1
Да5=Да5П1ах 1----------, (2.2.15)
5 *та\ (1 + pWyJ
где W- экспозиция облучения; p.q- параметры модели.
Сравнение экспериментальных данных по изменению коэффициента а5 порошков
MgO, ZnO и А120з при облучении протонами с энергией 500 кэВ и результатов рас-
четов, выполненных с использованием зависимостей (2.2.10, 2.2.14, 2.2.15), показали,
что все три зависимости дают достаточно хорошую (в пределах ±5%) аппроксима-
цию кинетики изменения коэффициента а5 [47, 48].
2.2.7. Методы прогнозирования изменения свойств покрытий
Оценка изменения макроскопических параметров облучаемого материала осно-
вывается, как правило, на экспериментальных исследованиях, так как теоретические
и расчетные подходы, оперирующие микроскопическими характеристиками радиа-
ционно-стимулированных процессов, не позволяют достаточно достоверно описать
изменения измеряемых на практике характеристик материалов. С другой стороны,
эмпирические зависимости с подгоночными параметрами имеют свои недостатки.
Однако оба подхода находят применение при разработке методик прогнозирования.
Один из методов [49] основан на том, что изменение концентрации центров опти-
ческого поглощения образующихся при воздействии /-го вида излучения, опи-
сывается зависимостью [50]:
#,.(/) = л—(1-ехр{-(/> + ?,)/}),
где п - концентрация дефектов, на которых создаются центры оптического поглоще-
ния; pi и q, - константы скорости образования и разрушения этих центров при облу-
чении соответственно.
При совместном воздействии на материал т излучений разных видов концент-
рация генерируемых центров оптического поглощения n(t) согласно [50] зависит от
суммы констант скоростей образования и разрушения этих центров от каждого вида
излучения, т. е.:
(™. I'А ( _т. А
= « La 1 - exp {-/£ (р. + q.)} . (2.2.16)
V=1 I /=1 /=1 J
На основании (2.2.16) с использованием соотношения (2.2.10) модели приповерх-
ностного поврежденного слоя ТРП в [49] рассчитана зависимость изменения а5 по-
крытия от времени облучения при совместном воздействии УФ-излучения и прото-
нов. Результаты расчета для покрытия ZnO + органическое связующее в сопоставле-
нии с экспериментальными данными представлены на рис. 2.2.17.
612
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.2.17. Изменение коэффициента
поглощения ТРП при воздействии:
♦ - УФ-излучения; - протонов
с энергией 30 кэВ;а - совместно (УФ + р);
• - сумма эффектов от УФ и р.
Штриховая линия - расчет для (УФ + р)
В качестве другого примера методики
прогнозирования можно привести подход,
рассмотренный в [28] с использованием
вероятностной модели переноса заряда
через границу раздела фаз покрытия. Из-
менение коэффициента а5 покрытий под
действием различных излучений (прото-
нов, электронов, УФ-излучения) представ-
ляется следующим образом:
Да„/Аа5тах = WfKWf + £,), (2.2.17)
где параметры С/, к» Да5 max определяют-
ся на основании экспериментальных дан-
ных. Результаты расчетов, выполненных
по этой методике, хорошо согласуются с
экспериментальными данными, приводи-
мыми в [29, 51].
Данные лабораторных и натурных
экспериментов, выполненных в последние
годы [52-57], позволяют уточнить прогностические модели.
ЛИТЕРАТУРА
1. Залетаев В.М., Капинос Ю.В., Сургучев О.В. Расчет теплообмена космического аппарата. М.: Машино-
строение, 1979.
2. Панкратов Б.М. Тепловое проектирование агрегатов летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1981.
3. Козлов Л.В., Нусинов М.Д. и др. Моделирование тепловых режимов космических аппаратов и окру-
жающей среды. М.: Машиностроение, 1971.
4. Малоземов В.В. Тепловой режим космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1980.
5. Жукова-Хованская О.Б., Бриль Г.А., Назаров А.Л. Расчетные и экспериментальные методы проектиро-
вания систем обеспечения теплового режима негерметичных приборов научной аппаратуры КА. Тру-
ды ВНИИЭМ, т. 83. Разработка и исследование электромеханических систем космических аппаратов
метеорологического и природноресурсного назначения. М., 1987, с. 91-106.
6. Пудер И., Жукова-Хованская О.Б., Филатов С.И. Исследование теплового режима спектрометра-ин-
терферометра в космических условиях. В кн.: Дистанционное зондирование атмосферы со спутника
«Метеор». Гидрометеоиздат, 1979, с. 28-41.
7. Трифонов Ю.В. Комплекс технических средств эксперимента по дистанционному зондированию Зем-
ли из космоса. Исследование Земли из космоса, 1981, № 5, с. 21-27.
8. Трифонов Ю.В. Спутники серии «Метеор», предназначенные для изучения Земли из космоса. Иссле-
дование Земли из космоса, 1981, № 5, с. 8-20.
9. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы тепловых труб. М.: Атомиздат, 1978.
10. Баранцевич В.Л., Гуткин А.Л., Парфентьев М.Д. Применение тепловых труб для обеспечения теплово-
го режима микрокриогенных систем. Труды ВНИИЭМ, 1990, т. 93, с. 98-102.
11. Ahem J.E., Karperos К. Calorimetric Measurements of thermal control surfaces on operational satellites. AIAA
Paper, 83-0075.
12. Hall D.F., FoteA.A. Thermal control coating performance at geosynchronous altitude. Journal of Thermo-
physics and Heat Transfer, 1992, v. 6, No 4, pp. 665-670.
13. Городецкий A.A., Демидов С.А., Иванченков A.C., Карпов Н.И., Наумов С.Ф., Северов А.А. Исследо-
вание терморегулирующих покрытий на орбитальной космической станции «Салют-6». В сб.: Модель
космического пространства. М.: Изд-во МГУ, 1982, т. 2, гл. 14, с. 394-415.
ГЛАВА 2.2
ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ...
613
14. Жукова-Хованская О.Б., Артюхин Е.А., Баранцевич В.Л., Костенко В.И. и др. Методы и алгоритмы
идентификации радиационных характеристик терморегулирующих покрытий по результатам летных
экспериментов. Препринт ИКИ АН СССР, Пр-1336. М., 1988, 54 с.
15. Жукова-Хованская О.Б., Митрофанов В.Б. Идентификация процесса деградации терморегулирующих
покрытий. Методы, алгоритмы и результаты исследования. Труды ВНИИЭМ, т. 93. Разработка и ис-
следование электромеханических систем космических аппаратов метеорологического и природноре-
сурсного назначения. М., 1990, с. 136-156.
16. Naumov S.F., Gorodetsky A.A., Demidov S.A., Karasyev A.V. Research of termal control coating optical
characteristics during long-term near Earth orbital flight. In: Proc, of the 6th Int. Symp. on Materials in a
Space Environment. ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 1994, ESA SP-368, pp. 367-371.
17. Tenditnyi V.F., Smimov-Vasiliev K.G., Yevkin I.V., Mironovich V.V. Laboratory and in-flight tests of
spacecraft control coatings degradation. Ibid, pp. 113-121.
18. Тендитный B.A., Смирнов-Васильев К.Г., Евкин И.В., Миронович В.В., Тестоедов Н.А. Деградация
терморегулирующих покрытий при длительной эксплуатации в космическом пространстве. Вестник
Красноярского Государственного Технического Университета, 1998, с. 91-100.
19. Васильев В.Н., Дворецкий М.И., Козелкин В.В., Косицын Л.Г., Крутиков В.И., Михайлов М.М., Со-
ловьев Г.Г., Трушицина А.В. Моделирование воздействия лучистого потока Солнца на терморегули-
рующие покрытия. Модель космического пространства. М.: Изд-во МГУ, 1982, т. 2, гл. 12, с. 352-374.
20. Акишин А.И., Новиков Л.С., Соловьев Г.Г. Воздействие потоков заряженных частиц высокой энергии
на материалы и элементы оборудования космических аппаратов. В кн.: Новые наукоемкие технологии
в технике. Энциклопедия. Т. 16. Воздействие космической среды на материалы и оборудование кос-
мических аппаратов. М.: ЗАО НИИ «ЭНЦИТЕХ», 2000, гл. 5, с. 164-204.
21. Васильев В.Н., Дворецкий М.И., Игнатьев В.Н., Косицын Л.Г., Михайлов М.М., Соловьев Г.Г., Тен-
дитный В.А. Имитация комплексного воздействия космических излучений на терморегулирующие по-
крытия. Модель космического пространства. М.: Изд-во МГУ, 1982, т. 2, гл. 13, с. 375-393.
22. Ишханов Б.С., Новиков Л.С., Соловьев Г.Г., Спасский А.В., Шведунов В.И. Испытательно-ускоритель-
ная база НИИЯФ МГУ. В сб.: Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2001», вып. 4.
М.: Паимс, 2001, с. 229-230.
23. Новиков Л.С., Соловьев Г.Г. Моделирование на электростатических ускорителях НИИЯФ МГУ воз-
действия космической среды на материалы. В сб.: Труды XIV Международной конференции по элек-
тростатическим ускорителям и пучковым технологиям. Обнинск, 2002, с. 64-68.
24. Акишин А.И., Новиков Л.С. Имитация радиационных эффектов от воздействия космических излуче-
ний. М.: Изд-во МГУ, 1989, 87 с.
25. Михайлов М.М., Дворецкий М.И., Крутиков В.Н. Метод определения изменения коэффициента по-
глощения терморегулирующих покрытий в зависимости от времени, интенсивности излучения и тем-
пературы. В сб.: Космическая технология и материаловедение. М.: Наука, 1982, с. 95-100.
26. Соловьев Г.Г., Труфанов А.И. Метод прогнозирования количественных изменений свойств материалов
в полях ионизирующих излучений. Химия высоких энергий, 1995, т. 29, № 1, с. 34-37.
27. Остроумов В.И., Соловьев Г.Г. Труфанов А.И. Наборы функций радиационного воздействия в про-
блеме прогнозирования стойкости материалов и приборов в полях ионизирующих излучений. Физика
и химия обработки материалов, 1991, № 6, с. 33-38.
28. Войценя В.С., Гужова С.К., Титов В.И. Воздействие низкотемпературной плазмы и электромагнитного
излучения на материалы. М.: Энергоатомиздат, 1994, 224 с.
29. Барбашев Е.А., Богатов В.А., Козин В.И., Корниенко А.Н., Малова Н.Е., Уханова З.И. Влияние элек-
тронно-протонного облучения в вакууме на оптические свойства терморегулирующих покрытий. Кос-
мическая технология и материаловедение. М.: Наука, 1977, с. 117-128.
30. Соловьев Г.Г., Гращенко А.П. Эквивалентность флюенсов моно- и немоноэнергетического воздейст-
вия на терморегулирующие покрытия. Физика и химия обработки материалов, 1989, № 1, с. 54-56.
31. Мейкляр П.В. Физические процессы при образовании скрытого фотографического процесса. М.: Нау-
ка, 1972.
32. Волькенштейн Ф.Ф. Электронная теория катализа на полупроводниках. М.: Физматгиз, 1960.
33. Волькенштейн Ф.Ф. Физикохимия поверхности полупроводников. М.: Наука, 1973.
614
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
34. Бару В.Г., Волькенштейн Ф.Ф. Влияние облучения на поверхностные свойства полупроводников.
М.: Наука, 1978.
35. Streed E.R., Arvesen J.S. Science of Advanced Materials and Processes Engineering, v. 2, N. Hallywood:
Western Periodical, 1967, pp. 181-192.
36. Can H.B. AIAA Paper, 1967, No 67-329, pp. 1-9.
37. Arvesen J.C. AIAA Paper, 1967, No 67-340, pp. 1-6.
38. Лисаченко A.A. Электронные и атомно-молекулярные процессы на фотоактивированной поверхности
твердого тела. Дисс. на соискание уч. ст. д. ф-м. н. СПбГУ, 1996.
39. Кузнецов Н.В., Соловьев Г.Г. Радиационная стойкость кремния. М.: Энергоатомиздат, 1989, 96 с.
40. Титов В.И., Тарасов Ю.И., Щербакова Н.А. Лакокрас. материалы и их применение, 1986, № 3, с. 46-48.
41. Васильев В.Н., Козелкин В.В., Трушицина А.В. Некоторые методические вопросы моделирования сол-
нечного излучения на материалы. Модель космического пространства. М., 1973, с. 158-177.
42. Васильев В.Н., Соловьев Г.Г. Моделирование воздействия космических корпускулярных излучений на
терморегулирующие покрытия. Модель космического пространства, т. 2. М., 1976, с. 262-292.
43. Четыркин Е.М. Статистические методы прогнозирования. М.: Статистика, 1977.
44. Соловьев Г.Г. Влияние на отражение света повышенной концентрации центров поглощения в тонком
приповерхностном слое. В сб.: Радиационная стойкость органических материалов, вып. 4. М.: НИИТЭ-
ХИМ, 1978, с. 72-80.
45. Соловьев Г.Г. Распространение света в лакокрасочных материалах. Обзорная информация. Сер. Обще-
отраслевые вопросы развития химической промышленности. М.: НИИТЭХИМ, 1979, вып. 9(159), 39 с.
46. Титов В.И., Тарасов Ю.И. Кинетика фото- и радиационного окрашивания белых гетерогенных смесей
в вакууме. Журнал физической химии, 1984, т. 58, № 5, с. 1212-1213.
47. Гращенко А.П., Соловьев Г.Г., Железникова М.В. Метод прогнозирования изменения отражательной
способности терморегулирующих покрытий под действием излучений в модели оптически тонкого
слоя. В сб.: Радиационная стойкость полимерных и полимерсодержащих материалов в условиях кос-
моса. М.: НИИТЭХИМ, 1988, с. 80-85.
48. Соловьев Г.Г., Гращенко А.П., Железникова М.В., Лексин А.Н., Орлова Н.В. Изменение оптического
поглощения порошков оксидов металлов при протонном воздействии. В сб.: Влияние внешних воздей-
ствий на структуру и свойства твердых тел. Куйбышев: изд-во Куйбышевского ГУ, 1987, с. 112-118.
49. Гращенко А.П., Соловьев Г.Г. Изменение оптических свойств терморегулирующих покрытий при совме-
стном воздействии на них различных излучений. Физика и химия обработки материалов, 1988, №2,
с. 85-87.
50. Бреховских С.М., Викторова Ю.Н., Ланда Л.М. Радиационные эффекты в стеклах. М.: Энергоиздат, 1982,
184 с.
51. Brown R.R., Fogdall L.B., Cannaday S.S. Progress in Astronautics and Aeronautics: Thermophysics of
Spacecraft and Planetary Bodies. NY: Academic Press, 1969, pp. 697-724.
52. Gudimenko Y., Kleiman J.I., Iskanderova Z.A., Tennyson R.C., Hughes P.C., Milligan D., Grigorevski A.,
Shuiski M., Kiseleva L., Edwards D., Finckenor M. Enhancement of surface durability of space materials and
structures in LEO environment. In: Proc, of the 9th Int. Symp. on Materials in a Space Environment,
Noordwijk, The Netherlands, 2003, ESA SP-540, pp. 95-106.
53. Semprimoschnig C.O.A., Heltzel S., Polsak A., van Eesbeek M. Space environmental testing of thermal cont-
rolfoils at extreme temperatures. Ibid., pp. 161-167.
54. Faye D., Marco J. Effects of ultraviolet and protons radiations on thermal control coatings after contami-
nation. Ibid., pp. 527-533.
55. Naumov S.F., Domoratsky A.N., Sokolova S.P., Kuriljonok A.O., Kosnina E.V., Alexashin V.A. Investiga-
tion of materials of insurance and fixation arrangements (tapes, ropes, cords, halyards and others) that are
used by cosmonauts during their work in open space. Ibid., pp. 595-602.
56. Naumov S.F., Gerasimov Y.I., Sokolova S.P., Rebrov S.G., Gerasimova T.I., Kalistratova O.V., Prokofyev M.A.,
Grigorevsky A.V., Prosvirikov V.M., Buryak A.K., Chernik V.N. Influence orientation thrusters fuel/oxidizer
reaction products on thermo-optic properties of spacecraft thermal control coatings. Ibid., pp. 661-666.
57. Novikov L.S., Solovyev G.G. Degradation of thermal control coatings under influence of proton irradiation.
Joum. Spacecraft and Rockets, 2006, v. 43, No 3, pp. 518-519.
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ
Ким В.П.1, Надирадзе А.Б.2, Попов Г.А.1, Ходненко В.П.3, Шишкин Г.Г.2
1 Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики
2 Московский авиационный институт (государственный технический университет)
3 НПП Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики
Список сокращений
БРТК бортовой ретрансляционный комплекс СБ солнечная батарея
ДАС двигатель с анодным слоем спд стационарный плазменный двигатель
ДУ двигательная установка ФЭП фотоэлектрический преобразователь
ИПД импульсный плазменный двигатель эдд электродуговой двигатель
КА космический аппарат энд электронагревный двигатель
ПИД плазменно-ионный двигатель ЭРД электроракетный двигатель
ВВЕДЕНИЕ
Электроракетные двигатели (ЭРД) успешно используются в качестве двигателей
для управления движением космических аппаратов (КА). Принципиальным отличием
ЭРД от других типов реактивных двигателей является использование электрической
энергии для ускорения выбрасываемой из двигателя массы и получения реактивной
силы - тяги [1]. Преимущество ЭРД перед традиционными химическими двигателя-
ми состоит в возможности получения очень высоких скоростей истечения, что по-
зволяет снизить массу топлива, необходимого для решения задачи, и, следовательно,
увеличить массу полезной нагрузки КА. Этот эффект достигается благодаря тому,
616
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
что в ЭРД электрическая энергия может трансформироваться в кинетическую, минуя
тепловую фазу, когда ЭРД осуществляет ускорение заряженных частиц с помощью
электрических и магнитных полей.
При увеличении скорости истечения растет потребляемая ЭРД электрическая
мощность и, соответственно, масса энергоустановки. Поэтому для каждой конкрет-
ной задачи в зависимости от характеристик энергоустановки и времени работы ЭРД
существует оптимальное значение скорости истечения. При современном уровне раз-
вития космической энергетики в конкретных космических задачах оптимальная ско-
рость истечения составляет -2000-50000 м-с"1. Характерной особенностью ЭРД яв-
ляются относительно небольшие значения тяги. Высокие скорости истечения требу-
ют высоких уровней электрической мощности (20-50 Вт на 1 мН тяги). Это является
существенным ограничением, так как имеющиеся бортовые энергоустановки мощно-
стью 5-20 кВт позволяют получить оптимальный уровень тяги двигательной уста-
новки (ДУ) не выше 100-1000 мН. Для использования более мощных двигателей или
связок двигателей требуются энергоустановки мощностью более 100 кВт. Разверты-
вание таких энергоустановок в космосе - дело будущего.
Высокие скорости истечения частиц и их ионизированное состояние приводят к
тому, что струя ЭРД может интенсивно взаимодействовать с материалами внешних
поверхностей КА и его системами. Среди возможных эффектов и факторов воздей-
ствия работающего ЭРД на КА и окружающую среду в настоящее время выделяют
следующие:
• эрозионное, силовое (механическое), тепловое и загрязняющее воздействие на
элементы конструкции КА;
• оптические помехи и электромагнитное излучение в радиодиапазоне;
• влияние плазмы на диаграммы направленности антенн, прохождение радио-
волн и надежность радиосвязи с КА;
• изменение состава и параметров окружающей КА среды, повышение темпера-
туры ионосферной плазмы в окрестности КА;
• изменение электрического потенциала КА;
• влияние плазменных образований на работу бортовой аппаратуры;
• взаимодействие с подсистемами КА по цепям питания.
Эрозионное воздействие может происходить вследствие попадания плазменных
струй ЭРД на элементы конструкции КА и приводить к изменению свойств мате-
риалов внешних поверхностей аппарата. Так, например, эрозия защитных стекол
солнечных батарей (СБ) под воздействием струи может явиться причиной деграда-
ции характеристик фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Следует отметить,
что эрозия может оказывать и положительное влияние, очищая поверхности от за-
грязнений и микрократеров, образующихся в результате ударов микрометеорных
частиц.
Загрязняющему воздействию истекающей струи двигателя могут подвергаться
панели СБ, терморегулирующие покрытия, оптические элементы и т. д. Разделяют
два типа загрязнений: загрязнение продуктами распыления элементов конструкции
КА и загрязнение вторичными частицами струи. Наиболее существенным фактором
является осаждение пленок загрязнений на панелях СБ, радиаторах системы терморе-
гулирования и астронавигационной аппаратуре. Следует отметить, что продукты
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
617
распыления могут содержать значительную долю частиц металлов, которые при оса-
ждении на оптических поверхностях приводят к существенному изменению их
свойств. Осаждение загрязнений может также сопровождаться полимеризацией пле-
нок под влиянием ионизирующего излучения в условиях орбитального полета, что
усиливает эффект загрязнения.
Влияние ЭРД на оптические системы КА объясняется тем, что в плазменных
струях присутствуют находящиеся в возбужденном состоянии частицы. Эти частицы
излучают энергию в широком диапазоне частот, включая оптический. Мощность из-
лучения может достигать 5% мощности двигателя, что является достаточным для
засветки чувствительных оптических приборов.
Плазменные струи ЭРД могут значительно изменять состав и параметры окружаю-
щей КА среды, а также се электромагнитные свойства, приводя к изменению условий
прохождения радиосигналов, эффективных размеров и диаграмм направленности бор-
товых антенн, что в конечном счете может приводить к нарушению радиосвязи с КА.
Кроме того, струя ЭРД может возбуждать ионосферу, вызывая, в частности, разогрев
ионосферной плазмы.
Проникновение плазмы в приборные отсеки негерметичного исполнения может
стать причиной нарушения нормальной работы высоковольтного оборудования, на-
пример, ламп бегущей волны и источников питания бортового ретрансляционного
комплекса (БРТК).
При работе ЭРД изменяются условия взаимодействия КА с окружающей кос-
мической плазмой, что отражается на характере процессов электризации КА
(см. гл. 1.8, 1.9). Взаимодействие по цепям питания может приводить к возникнове-
нию дополнительных электромагнитных помех работе бортовой аппаратуры, обу-
словленных колебаниями тока в цепях питания ЭРД.
Кроме того, существуют еще два вида воздействия ЭРД на КА: силовое (механи-
ческое) и тепловое. Силовое воздействие приводит к возникновению дополнитель-
ных возмущающих моментов из-за отклонения вектора тяги ЭРД от его геометриче-
ской оси, неточности установки двигателя на КА, смещения центра масс аппарата
вследствие выработки запасов рабочего тела, а также взаимодействия частиц струи с
элементами конструкции КА (например, с панелями СБ). Тепловое воздействие мо-
жет быть обусловлено двумя факторами. Во-первых, при работе некоторые элементы
конструкции ЭРД имеют высокую температуру (более 1 000 К), в результате чего
выделившееся тепло излучением и за счет теплопроводности передается элементам
КА. Во-вторых, при относительно близком расположении (масштаба 0,5 м) элемен-
тов конструкции к двигателю возможен нагрев за счет бомбардировки ускоренными
ионами струи.
Таким образом, взаимодействие ЭРД с КА является весьма сложным и много-
образным процессом, в который вовлекаются многие жизненно важные системы и
подсистемы КА. При определенных условиях перечисленные выше эффекты могут
приводить к различным негативным последствиям вплоть до полной потери ра-
ботоспособности КА или его систем. Поэтому одной из весьма важных проблем
применения ЭРД в космосе является обеспечение совместимости ДУ с элементами
и системами КА, а также минимизация отрицательных последствий воздействия
ЭРД на КА [2].
618
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИКОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
2.3.1. Общая характеристика электроракетных двигателей
Использование ЭРД в космосе началось в 1964 г. запуском на КА «Зонд-2» ДУ на
базе импульсного плазменного двигателя (ИПД), разработанного в ИАЭ им. И.В. Кур-
чатова [3]. Важными этапами в развитии и подготовке к практическому использова-
нию ЭРД в космосе стали запуск в декабре 1971 г. ИСЗ «Метеор-18» с ДУ «ЭОЛ-1»
на базе ЭРД [4] и запуск в 1973 г. КА «Метеор-Природа» с экспериментальной
ДУ «ЭОЛ-2» [5]. Стало ясно, что благодаря своим высоким удельным характеристи-
кам ЭРД могут существенно расширить круг задач, решаемых в космосе. Однако от
первых запусков до широкомасштабного применения прошло более 20 лет, и только
с начала 1980-х гг. применение ЭРД стало регулярным, а с середины 1990-х гг. - мас-
совым.
Современные задачи, при решении которых целесообразно использование ЭРД,
можно свести к следующим:
• коррекция орбиты КА (приведение в рабочую точку, стабилизация положения
КА в заданной рабочей точке, изменение рабочей точки в процессе эксплуата-
ции и увод КА с рабочей орбиты по окончании эксплуатации, поддержание
группировок КА);
• маршевые задачи (изменение орбиты и межорбитальная транспортировка КА и
других грузов);
• компенсация аэродинамического сопротивления низколетящих КА, таких как
долгоживущие орбитальные станции и др.;
• реализация межпланетных перелетов и полетов в дальний космос.
Тенденция увеличения длительности полетов КА, повышения их энергово-
оруженности, существенного усложнения полетных программ, включающих в себя
все большее число различных орбитальных маневров, требует использования ЭРД,
позволяющих обеспечить необходимые суммарные (полные) импульсы тяги при от-
носительно небольшом запасе рабочего тела. Кроме того, использование ЭРД в сис-
темах управления КА обусловлено необходимостью получения и поддержания за-
данных параметров орбит с высокой точностью (прецизионная коррекция), а также
необходимостью создания стабильных по величине управляющих моментов, напри-
мер, для сброса кинетического момента с электромеханических исполнительных ор-
ганов системы ориентации высокоорбитальных КА, или очень точно дозируемых по
величине управляющих моментов для прецизионной ориентации КА.
В соответствии с механизмом ускорения ЭРД делятся на три класса [1].
1. Электротермические двигатели. К этому классу относят электронагревные
(ЭНД) или электродуговые (ЭДД) двигатели.
2. Электростатические двигатели, такие как плазменно-ионные (ПИД) или кол-
лоидные двигатели.
3. Плазменные электромагнитные двигатели. К их числу относятся так называе-
мые стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС)
и сильноточные плазменные двигатели нескольких типов, включая ИПД.
В России наибольшие успехи достигнуты в разработке и применении СПД [3].
Они хорошо отработаны и благодаря этому уже многие годы используются на отече-
ГЛАВА 2.3 ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА 619
ственных КА, обеспечивающих связь, а также трансляцию телевизионных и радио-
передач В ближайшее время планируется использование СПД для решения задач
межорбитальной транспортировки для выведения КА с низкой околоземной на гео-
стационарную орбиту и межпланетного перелета с орбиты Земли на орбиту Марса в
проекте «Фобос-грунт» [3].
Основным разработчиком и производителем летных образцов СПД было и оста-
ется ОКБ «Факел». В настоящее время началось использование двигателей СПД-100,
произведенных ОКБ «Факел», на зарубежных КА [6]. Разработка и производство
СПД началось и за рубежом. Основным разработчиком СПД в США становится
фирма Aerojet, а в Европе - фирма Snecma Moteurs. В 2003-2004 гг. успешно осуще-
ствлен перевод КА «Smart-1» с низкой околоземной орбиты на орбиту спутника Лу-
ны с помощью элсктроракетной ДУ на основе СПД совместной разработки фирмы
Snecma Moteurs и ОКБ «Факел» [7].
В России и в США достаточно давно начато использование ЭНД для ориентации
КА. В частности, в США они отработали и продолжают работать в составе десятков
КА, включая спутники группировки «Iridium» [8]. В составе отечественных КА ус-
пешно работали десятки ЭНД, в том числе в 1994-1998 гг. аммиачные ЭНД успешно
эксплуатировались в системе коррекции и ориентации российского геостационарного
спутника «Электро» разработки ВНИИЭМ [9].
В последнее время началось достаточно широкое использование ЭДД [8] и ПИД
для решения первой из перечисленных выше задач [8, 9]. В США и Японии начато
использование ПИД для полетов в дальний космос [10-12]. Следует также отме-
тить, что с помощью ПИД европейскими специалистами реализовано довыведение
КА «Artemis» на геостационарную орбиту [13]. Таким образом, в настоящее время
ЭРД успешно работают в космосе, и в дальнейшем их применение будет расши-
ряться
2.3.1.1. Электротермические двигатели
В качестве примера двигателей этого класса рассмотрим ЭДД отечественной раз-
работки [14], схема которого представлена на рис. 2.3.16. В этом двигателе рабочее
тело, например, аммиак, подастся по патрубку 1 в камеру нагрева 7 через пористый
газификатор-нагреватель 4, подогреваемый спиралью 5, и далее нагревается до высо-
Рис. 2.3.1. Конструкция ЭДД, разработанного в Штутгартском университете (ФРГ), (а)
и схема отечественного электротермического двигателя (б)
620
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
кой температуры в камере нагрева электрической дугой, зажигаемой между като-
дом 3 и анодом-соплом 8, либо названным нагревателем (в варианте ЭНД). Все эле-
менты двигателя закрыты кожухом 6. Подвод энергии осуществляется через клем-
му 2. Нагретый газ истекает через сопло 8, преобразуя свою тепловую энергию в ки-
нетическую энергию направленного движения. Истекающая из двигателя струя
создает реактивную тягу. Характерные значения скорости истечения двигателей, ра-
ботающих на аммиаке или гидразине, составляют 5-6 км-с”1, что заметно превышает
скорости истечения для химических двигателей сопоставимой тяги.
2.3.1.2. Электростатические двигатели
В качестве примера электростатического двигателя рассмотрим ионный двигатель
Т5, разработанный в Великобритании (рис. 2.3.2, [15]). В ионном двигателе поток
газообразного рабочего тела (ксенон, криптон, аргон) подается в разрядную камеру,
где ионизируется в электрическом разряде, горящем в потоке газа между анодом 1 и
катодом 2. В разрядной камере создается магнитное поле 3 с конфигурацией силовых
линий, предотвращающей значительные потери ионов на стенках разрядной камеры,
что позволяет снизить энергетические затраты на ионизацию. Из образовавшейся в
разрядной камере плазмы ионы вытягиваются электростатическим полем, созданным
системой сеточных электродов 4 с отверстиями для вывода ионов, а электроны отсе-
каются (остаются в разрядной камере) этим же полем. Таким образом, в межсеточ-
ном пространстве ускоряется униполярный ионный поток, что существенно ограни-
чивает плотность тока и, соответственно, плотность тяги таких двигателей. На выхо-
де из двигателя устанавливается нейтрализатор 5 - источник электронов, поток
которых захватывается ускоренным потоком ионов, в результате чего осуществляет-
ся нейтрализация объемного заряда истекающего из двигателя потока ускоренных
ионов. Для предотвращения попадания электронов из нейтрализатора в разрядную
камеру на вытягивающий электрод подается отрицательное смещение относительно
нейтрализатора.
Рис. 2.3.2. Общий вид (а) и схема (б) двигателя Т5 [15]
Характерные значения ускоряющего напряжения в современных ионных двигате-
лях составляют 1-10 кВ, что позволяет получать скорости истечения ионов
25-100 км-с 1 при работе на перечисленных выше газах. Ионный ток ПИД колеблется
от 0,01 до 1 А, величина тяги достигает при этом 50-100 мН
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
621
2.3.1.3. Плазменные электромагнитные двигатели
Из двигателей этого класса в настоящее время наиболее широко используются
двигатели типа СПД и ИПД. Общий вид серийного двигателя СПД-100 производства
ОКБ «Факел» и принципиальная схема СПД представлены на рис. 2.3.3 [3]. Двига-
тель работает следующим образом. Рабочий газ подается в ускорительный канал дви-
гателя, выполненный в виде кольцевой щели в разрядной камере 2. В этом канале
создается преимущественно радиальное магнитное поле с помощью магнитной сис-
темы 1 с одной или несколькими катушками намагничивания. В потоке рабочего газа
зажигается разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях путем приложе-
ния разрядного напряжения между анодом 3 и катодом 4, являющимся источником
электронов.
Рис. 2.3.3. Общий вид двигателя СПД-100 (а) и принципиальная
схема СПД (б)
Величина индукции магнитного поля подбирается таким образом, чтобы лармо-
ровский радиус электронов был существенно меньше длины ускорительного канала,
а ларморовский радиус ионов - намного больше. Тогда электроны оказываются за-
магниченными, и их подвижность поперек магнитного поля становится небольшой.
Поэтому они движутся преимущественно в азимутальном (перпендикулярном элек-
трическому и магнитному полям) направлении, создавая азимутальный ток и посте-
пенно диффундируя к ансду (вдоль электрического поля) в результате столкновений
с атомами, ионами и стенками канала, а также вследствие турбулентных возмущений
параметров плазмы из-за колебаний. Взаимодействие упомянутого азимутального
тока с внешним магнитным полем создает электромагнитную силу, ускоряющую
плазму. Величина продольного электронного тока при фиксированных остальных
параметрах минимизируется подбором индукции магнитного поля таким образом,
чтобы поток электронов обеспечивал достаточно полную ионизацию рабочего газа.
Поскольку ларморовский радиус ионов много больше размеров ускорительного ка-
нала. то образовавшиеся в нем ионы ускоряются электрическим полем, созданным в
плазме приложенным разрядным напряжением, главным образом в продольном на-
правлении, и их скорость определяется пройденной ими разностью потенциалов, как
и в ионном двигателе. Поэтому можно говорить и о квазиэлектростатическом уско-
рении ионов в СПД и ДАС. Однако принципиальным отличием СПД и ДАС от ион-
ного двигателя является то, что ускорение ионов в нем осуществляется в квазинейт-
ральной плазме, т. е. отсутствует ограничение плотности ионного тока пространст-
622
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
венным зарядом ионов. Поэтому в СПД и ДАС удается реализовать существенно
большие плотности тока по сравнению с ионными двигателями, в том числе при бо-
лее низких разрядных напряжениях. Так, типичные значения разрядного напряжения
в СПД составляют 200-600 В. В случае работы на ксеноне удается получить эффек-
тивные скорости истечения (удельные импульсы) 15-25 км-с"1 (1 500-2 500 с), доста-
точно высокие значения тягового КПД (40-60%) и большие ресурсы двигателя.
Типичные параметры современных СПД разработки ОКБ «Факел» представлены
в табл. 2.3.1. Следует отметить, что двигатели типа СПД-70 и СПД-100 успешно от-
работали и работают в системах коррекции орбит ряда отечественных и зарубежных
геостационарных ИСЗ, начиная с 1982 и 1995 гг. соответственно.
ИПД первыми среди ЭРД были испытаны в космосе на борту советского исследо-
вательского КА «Зонд-2» в 1964 г. Затем в СССР и России они использовались глав-
ным образом как источники плазмы при проведении активных экспериментов в кос-
мосе, а в США - эпизодически в качестве двигателей ориентации небольших КА. В
лабораториях исследовались ИПД, работающие на различных рабочих телах и при
различных мощностях. В летных же условиях испытывались и работали так назы-
ваемые абляционные ИПД (АИПД), в которых импульсный электрический разряд
используется для испарения твердого рабочего тела - фторопласта, ионизации и ус-
корения образовавшейся плазмы силой взаимодействия разрядного тока и созданного
им же магнитного поля. Основными достоинствами АИПД являются простота конст-
рукции, возможность точного дозирования импульсов тяги путем регулирования час-
тоты рабочих импульсов и приемлемая для решения ряда задач тяговая эффектив-
ность при небольшом (1-10 Вт) энергопотреблении. На рис. 2.3.4 приведены общий
вид и принципиальная схема АИПД так называемого рельсотронного типа, разрабо-
танного в НИИ ПМЭ [16, 17].
В этом двигателе импульсный разряд зажигается за счет энергии, накопленной в
конденсаторной батарее 1 между электродами 2 и 3 с помощью поджигающего уст-
ройства 5 и блока инициирования 7. Воздействие разряда на поверхность шашки 6
Таблица 2.3.1
Основные параметры опытных и летных образцов СПД разработки ОКБ «Факел»
Марка двигателя СПД-50 СПД-70 СПД-100 СПД-140
Тяга, мН 20 40 80 200-300
Диаметр выходного сечения, мм 50 70 100 140
Потребляемая мощность, Вт 400 700 1350 3000-5000
Удельный импульс, с 1 100 1500 1600 1 700-1 800
Подтвержденный наземными испытаниями ресурс, ч 1500 3000 >9000 7000 проектный
Полный импульс тяги, кН с 110 430 2000 6000 проектный
Уровень разработки летный образец серийный летный образец серийный летный образец опытный образец
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
623
а
б
Рис. 2.3.4. Общий вид (а) и схема (б) двигателя типа АИПД-50
фторопласта приводит к испарению некоторого его количества и ионизации паров с
образованием плазмы, которая ускоряется вследствие теплового расширения и взаи-
модействия протекающего через нее тока с созданным этим током магнитным полем
преимущественно вдоль электродов. На схеме показаны также торцевой изолятор 4 и
пояс Роговского 8. После разряда батареи электрический разряд прекращается, и на-
чинается цикл зарядки батареи. Следующий разряд инициируется блоком иницииро-
вания через время, заданное блоком управления работой двигателя.
Типичная длительность единичного разряда в современных ИПД составляет не-
сколько микросекунд, а частота следования импульсов может меняться в пределах
0,01-1 Гц. Изменяя частоту импульсов, можно легко регулировать среднюю тягу, а
изменяя число импульсов - импульс тяги. Значение единичного импульса тяги этого
двигателя составляет 4 мН-c при энергии разряда 150 Дж. Расход топлива на один
импульс - 0,19 мг. Экспериментально установлено, что средняя масса плазменного
сгустка у такого двигателя составляет ~2-10-7 кг, а скорость частиц в сгустке достига-
ет более 20 км-с-1.
2.3.2. Основные характеристики струй электроракетных двигателей
2.3.2.1. Общие сведения
Характерные зоны и компоненты струй ЭРД на примере струи СПД показаны на
рис. 2.3.5. Основную часть (90-95%) струи составляют ускоренные высокоэнергети-
ческие ионы. Плотность ионного тока и средняя энергия ионов быстро спадает от оси
струи к ее периферии. Исходя из этого, в струе выделяют две области: ядро и пери-
ферию, граница между которыми является условной.
Обычно ядро струи ограничивают конусом, в который попадает 90-95% ускорен-
ного ионного потока. Угол полураствора этого конуса называют углом расходимости
струи /. Для двигателей типа СПД этот угол составляет 30-45°. Большие углы рас-
ходимости струи СПД обусловлены тем, что электрическое поле в ускорительном
канале имеет существенную радиальную составляющую. В результате заметная часть
ионов приобретает радиальную составляющую скорости, что и приводит к расфоку-
сировке струи. Для ПИД характерна такая же структура струи, с той лишь разницей,
что угол расходимости у этих двигателей определяется, главным образом, фокуси-
рующими свойствами ионно-оптической системы, обеспечивающей существенно
624
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Ядро струи
(-90-95%)
30-40°
Потоки частиц
распыления элементов
конструкции (<1-2%)
Рис. 2.3.5. Основные зоны струи ЭРД: 1 - ближняя
зона струи (есть влияние геометрии источника,
модель точечного источника дает большую ошибку);
2 - дальняя зона струи (зона, в которой
применима модель точечного источника)
Потоки /
ионов
перезарядки
(< 2-3%)
Потоки
/ неионизированных
частиц рабочего тела
(-5-10%)
меньшие (около 15-20°) углы рас-
ходимости ионного потока. От
внешней границы ядра струи начи-
нается широкая периферийная зона.
В этой зоне частицы имеют сущест-
венно меньшие энергии, а плотности
их потоков по крайней мере на по-
рядок меньше, чем в ядре струи.
Главные причины образования пери-
ферийной зоны - несовершенство
системы ускорения ионов и процессы
взаимодействия частиц в струе.
По составу в струе различают
первичные и вторичные частицы, а
также частицы неионизированного
рабочего тела К первичным части-
цам относят ускоренные одно- или
многозарядные ионы, образующиеся
в результате ионизации рабочего
тела и дающие основной вклад в
тягу двигателя. Вторичными называют частицы, которые образуются в результате
взаимодействия частиц струи между собой и с элементами конструкции двигателя.
Вклад этих частиц в тягу не превышает 5-10° о.
Струи ИПД, в отличие от струй остальных типов двигателей, характеризуются
нестационарностью. Время импульса современных ИПД составляет единицы и де-
сятки микросекунд. За это время образуется плазменный сгусток, ускоряющийся в
межэлектродном зазоре и распространяющийся в свободном пространстве. Основ-
ным содержанием струи ИПД являются продукты испарения (абляции) твердого ра-
бочего тела. Вторичные частицы образуются во время так называемого импульса
последействия, когда испарение рабочего тела еще продолжается, а ускоряющий им-
пульс уже закончился. У наиболее совершенных типов ИПД скорость ускоренных
частиц в сгустке может достигать 20-30 км-с-1, а угол расходимости составляет око-
ло 30° [16, 17].
2.3.2.2. Первичные частицы в струях ЭРД
Как правило, первичные частицы струи образуют узконаправленный пучок ионов,
истекающих из двигателя с высокой скоростью. Характерные угловые распределения
плотности ионного тока в струях СПД-100 [18] и Т5 [19] (при различных значениях
тяги) представлены на рис. 2.3.6.
В большинстве инженерных моделей принимается, что расширение плазмы от
двигателя происходит по закону 1 /А2. Так, в работе [18] для описания распределения
плотности ионного тока в струях СПД используется следующее соотношение:
7?2 (
JiW = -^\ao +
A I
_£l_
6?2 + б2
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
625
Рис. 2.3.6. Угловое распределение плотности ионного тока в струях
двигателей СПД-100 (а) и Т5 (б) на расстоянии 1 м от среза
где Ji - плотность ионного тока, [мА-см~2]; R - расстояние от среза двигателя; Rq -
базовая длина (7?0 = 1 м); 0 - угол между линией тока и осью двигателя, [град.]; aQ, а\,
а2 - константы (для СПД-100 aQ = 0,0014895, а\ = 103,12, а2 = 60,169). Данное соот-
ношение удовлетворительно описывает распределение плотности потока ионов в
струе для расстояний более 60 см.
Энергетические спектры ионов струи СПД-100 и Т5 приведены на рис. 2.3.7
[18, 19]. Видно, что у СПД-100 функция распределения ионов имеет два максимума.
Высокоэнергетический максимум соответствует первичным ионам, низкоэнергетиче-
ский - вторичным. Следует также отметить, что для СПД характерен «размытый»
энергетический спектр, что связано с протяженностью зоны ионизации и ускорения
ионов. Струя ПИД представляет собой практически моноэнергетический пучок ио-
нов (причем в широком диапазоне углов отклонения). Это объясняется тем, что в
ПИД зоны ионизации и ускорения разнесены в пространстве. Поэтому все ионы про-
ходят одинаковую разность потенциалов.
Ионный ток, отн. ед.
Ионный ток, отн. ед.
Рис. 2.3.7. Распределение ионов струи СПД-100 (а) и T5 (б) по энергиям
для различных углов отклонения от оси струи
626
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Распределение средней энергии ионов в струях СПД аппроксимируется фор-
мулой [18]:
Е,=Ь0+—
' ° г>2+о2
где Ej - средняя энергия ионов, [эВ]; bQ, Ь\, Ь2 - константы (для СПД-100 bQ = 185,59,
b\ = 2,8984-106, Ь2 = 6839,0). Для углов отклонения до 67,5° эта кривая удовлетвори-
тельно согласуется с экспериментальными данными. Для углов более 70° принимает-
ся, что энергия ионов неизменна и соответствует значению 0 = 70°, что составляет
61,3 эВ.
Анализ показывает, что в течение длительного времени работы (~4 ООО ч) не про-
исходит существенного изменения структуры и энергетических характеристик ион-
ного потока. Средняя энергия в ядре струи значительно превосходит энергию ионов в
периферийной зоне. Однако при больших ресурсах (более 4 000 ч) наблюдается неко-
торое увеличение средней энергии на периферии струи, что необходимо учитывать
при размещении двигателей на борту КА. Средняя энергия ионов на больших углах
от оси двигателя имеет значение 30-50 эВ, что соответствует начальному уровню
энергии распыления многих конструкционных материалов. Последнее говорит о том,
что даже периферийные потоки струй ЭРД могут оказывать эрозионное воздействие
на конструкцию КА.
Многозарядные ионы образуются в разрядной камере ЭРД и ускоряются вместе
с однозарядными, но поскольку их зарядовое число q выше, то и скорость таких
частиц в у/q раз больше, чем скоростью однозарядных ионов. Полный ток многоза-
рядных ионов в струях СПД достигает 10-15%, а в струях ПИД - до 3-5% тока од-
нозарядных.
2.3.2.3. Вторичные частицы в струях ЭРД
Вторичные частицы в струях ЭРД представлены ионами перезарядки и образую-
щимися в процессе перезарядки нейтральными ускоренными частицами, а также час-
тицами распыления, которые возникают при взаимодействии ускоренных ионов с
элементами конструкции двигателя.
Ионы перезарядки образуются в результате взаимодействия ускоренных ионов с
нейтральными частицами рабочего тела или с частицами распыления. При переза-
рядке образуется быстрый нейтрал и медленный ион:
Х^ускор + Хемедл — ХСускор + Х^медл •
В основном ионы перезарядки образуются в ядре струи на расстоянии до 1-2 ра-
диусов выходного сечения двигателя. Ионы перезарядки, обладая малой (не более
1 эВ) начальной энергией, движутся под действием электрического поля в струе
практически во все стороны от ядра струи. Поэтому часть из них движется в направ-
лении, обратном по отношению к направлению движения основного потока ионов, и
проникает в области, расположенные «впереди» двигателя (если принять, что струя
истекает «назад»). Потоки ионов перезарядки в обратном направлении называют воз-
вратными потоками ионов. Величина возвратных потоков относительно невелика.
Так, по имеющимся оценкам и экспериментальным данным [20, 21] полный ток воз-
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
627
вратных ионов не превышает 2-5% ионного
тока струи.
Нейтральные частицы, образовавшиеся
в результате перезарядки первичных ионов,
имеют такие же скорости и траектории
движения, как и ускоренные ионы. Доля
частиц, участвующих в процессе переза-
рядки, в струях СПД может составлять
5-7% полного тока ионов, а в струях ПИД -
обычно не более 3%. Поток нейтральных
частиц рабочего тела в струях ЭРД обычно
не превышает 5-10% полного расхода рабо-
чего тела [22]. Эти частицы двигаются с теп-
ловыми скоростями, а их угловое распреде-
ление в большинстве случаев может быть
аппроксимировано законом косинуса.
Частицы распыления образуются при
взаимодействии ускоренных ионов с эле-
Рис. 2.3.8. Угловое распределение частиц
распыления изолятора разрядной камеры в
струе СПД-70 (сплошная линия).
Пунктиром показано угловое распределение
ускоренных ионов
ментами конструкции двигателя (у СПД, ДАС распыляются стенки разрядной ка-
меры, у ПИД - ускоряющая сетка ИОС). Энергия частиц распыления сопоставима с
энергией связи и составляет 5-35 эВ. Значительная доля распыленных частиц
(до 40-60%) может находиться в заряженном состоянии и ускоряться вместе с пер-
вичными ионами струи. Угловое распределение заряженных частиц распыления при-
ближается к угловому распределению первичных ионов струи. Интегральный поток
частиц распыления определяется скоростью эрозии элементов конструкции двигате-
ля. По имеющимся экспериментальным данным скорость эрозии изолятора двигате-
лей типа СПД-100 составляет -5-10”6 г-с"1 [23], у ПИД типа Т5 скорость распыления
ускоряющей сетки составляет-2-10"7 г-с"1 [19].
Прямые измерения распыленной компоненты в струях СПД проводились в рабо-
тах [24, 25]. Результаты измерений представлены на рис. 2.3.8. Установлено, что зна-
чительная (до 60%) часть частиц распыления находится в ионизированном состоянии
и ускоряется вместе с первичными ионами струи. В ядре потока угловое распределе-
ние этих частиц повторяет распределение первичных ионов. Можно предполагать,
что в периферийных зонах (при углах отклонения более 45°) должны преобладать
нейтральные частицы в силу того, что плотность потока таких частиц обычно имеет
максимум по направлению нормали к поверхности стенок разрядной камеры, кото-
рые имеют форму, близкую к цилиндрической. Полученные данные качественно со-
гласуются с результатами [20].
2.3.2.4. Светимость струй ЭРД
Большинство разрядных камер и плазменных струй ЭРД обладают собственной
светимостью, обусловленной нагревом элементов конструкции двигателя и наличием
в струе возбужденных атомов и ионов. Наиболее полные данные по светимости по-
лучены к настоящему времени для СПД в работах [26, 27]. Установлено, что -90%
всей энергии в оптическом диапазоне длин волн (250-550 нм) выделяется в канале
628
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
СПД, при этом основная часть излучения из канала распространяется в пределах ко-
нуса с углом полураствора ~20°. Освещенность от самой струи на 1-2 порядка мень-
ше освещенности от канала и резко спадает по мере удаления от двигателя.
Разрядная камера и струя являются источниками линейчатого излучения, в спект-
ре которого идентифицировано более 400 линий, принадлежащих атомам, одно- и
двухзарядным ионам ксенона, примесным газам (Аг, Кг), атомам и ионам элементов,
входящих в состав керамики (Si, В, N, О) и металлических конструкционных мате-
риалов (Mo, Ni, Cr, W, Fe, Ti). С увеличением длины волны в спектре увеличивается
количество линий атомов и уменьшается количество линий ионов. В ультрафиолето-
вой области спектра (250-450 нм) 10-15% линий принадлежит атомам, а 85-90% -
ионам. В инфракрасной области (500-1 250 нм) 85% линий принадлежит атомам и
только 15% - ионам. Максимум энергии излучения выделяется в интервале длин
волн 480-540 нм, где находятся линии однократно ионизованного ксенона. Распре-
деление энергии в спектре излучения двигателя типа СП Д-70 (расход 2 мг-с-1, напря-
жение разряда 220 В, мощность 720 Вт) представлено в табл. 2.3.2.
Таблица 2.3.2
Распределение энергии в спектре излучения двигателя
Источник излучения Диапазон длин волн, нм Мощность, Вт
120-200 50
Разрядная камера 250-400 5
400-500 19
500-1 000 28
Плазменная струя весь спектр 5
Общая мощность излучения обычно не превышает 10% от мощности разряда в за-
висимости от типа двигателя и режима его работы. Систематизированных данных о
светимости других типов ЭРД пока не получено.
2.3.3. Воздействие струй электроракетных двигателей на космические
аппараты
2.3.3.1. Эрозионное воздействие струй ЭРД на материалы КА
Под эрозионным воздействием струй ЭРД на материалы КА подразумевают
уменьшение их толщины в результате длительной бомбардировки ионами струи. Ос-
новной характеристикой данного вида воздействия является глубина эрозии, т. е.
толщина распыленного слоя. Учет возможной эрозии материалов внешних поверхно-
стей КА очень важен при проработке конструкции КА с ЭРД. На рис. 2.3.9 представ-
лены результаты расчетов скорости эрозии поверхности панелей СБ для двух харак-
терных компоновок КА: в первой ЭРД установлен под углом 45° по отношению к оси
вращения панелей СБ, во второй - струя ЭРД направлена вдоль оси вращения пане-
лей СБ. В качестве ЭРД в обоих случаях использован СПД-100. Расчеты проводились
ГЛАВА 2 3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
629
Рис. 2.3.9. Характерные скорости распыления при углах установки СПД 45° (а) и 0°(б)
с помощью программного обеспечения, описанного в работе [28]. Приведенные дан-
ные показывают, что за 1000 часов работы ЭРД глубина эрозии материала в неко-
торых точках СБ может достигать 0,1-0,5 мкм для первого случая и 8-9 мкм для
второго. Это может привести к деградации характеристик СБ за счет снижения про-
зрачности защитных стекол, увеличения электрического сопротивления токопро-
водящих элементов и т. п. Особенно опасно эрозионное воздействие для тонкопле-
ночных покрытий.
В настоящее время единственно возможным способом прогнозирования эрозион-
ного воздействия ЭРД на КА является математическое моделирование. Поскольку
теория ионного распыления (см., например, [29, 30]) уже достаточно хорошо разра-
ботана, наиболее сложной проблемой является получение достоверных данных о ко-
эффициентах распыления материалов и покрытий, а также о параметрах струи в раз-
личных точках поверхности КА.
Известно, что значение коэффициента распыления зависит более чем от 20 па-
раметров [29]. К числу факторов, относительно слабо (в 1,6-5 раз) влияющих на
коэффициент распыления, можно отнести фазовый, магнитный и полиморфный
переходы, пористость, шероховатость, нагрев поверхности (если температура не
превышает 0,7 температуры плавления), плоскость среза монокристалла, атомный
состав молекулярных ионов. Существенно (в 5-10 раз) изменяют коэффициент рас-
пыления следующие параметры: скорость ионов, угол падения легких ионов на по-
ликристалличсскую мишень, углы поворота плоскости среза монокристалла, ато-
марный состав молекулярных ионов в режиме тепловых пиков, температура мишени
(если она выше 0,8-0,9 температуры плавления вещества). Сильно (в 20-200 раз)
изменяют коэффициент распыления такие параметры: импульс иона, заряд, масса и
энергия связи атома мишени, температура мишени вблизи температуры плавления
вещества. Заряд и масса иона могут изменить коэффициент распыления на 3-4 по-
рядка величины. Энергия иона является параметром распыления, в наибольшей сте-
пени (на 7-8 порядков величины) изменяющим значение коэффициента распыления.
Особенно сильно эта зависимость проявляется при низких энергиях ионов: от 5-10
до 50-100 эВ.
630
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.3.10. Типичная зависимость
массового коэффициента распыления Sm
от энергии ионов Е
распыления Sm, поскольку при этом
Процесс ионного распыления твердых
веществ характеризуется коэффициентом
распыления Y (встречаются также обозна-
чения Sa, у и др.), равным числу выбитых
атомов, приходящихся на один ион
[атом/ион]. Коэффициент распыления в
этой размерности можно назвать атомным
коэффициентом распыления. Коэффициент
распыления может быть выражен через
скорость уноса массы или объема на еди-
ницу заряда. В этом случае имеют место
массовый Stn [мг-Кл"1] и объемный коэф-
фициенты распыления Sr [мм3^*1].
В задачах прогнозирования воздейст-
вия струй ЭРД на КА предпочтительнее
использование массового коэффициента
г необходимости определять массу атома
материала. Особенно сложно определить эту величину для полимерных или компо-
зитных материалов.
Характерная кривая зависимости массового коэффициента распыления от энергии
ионов приведена на рис. 2.3.10.
Процесс распыления начинается, когда энергия ионов превышает пороговую
энергию распыления. С помощью весьма чувствительных методов измерения было
экспериментально установлено [30], что при энергии ионов 3-30 эВ коэффициент
распыления составляет 10~4-10~5 атом/ион. Пороговая энергия распыления Е( зависит
от массы иона и атома мишени, энергии связи атома с поверхностью твердого тела,
которая определяется теплотой сублимации вещества UQ. По экспериментальным
данным [29] для металлов при распылении их ионами Аг+, Кг+, Хе+ пороговая энергия
составляет 12-28 эВ.
При увеличении энергии ионов от Е( до 50-100 эВ происходит быстрый рост ко-
эффициента распыления от 10"4 до 10”1. В диапазоне от Е( до (10-20)£) изменение
коэффициента распыления можно описать универсальным соотношением [30]:
Г(£')~8,5-10‘3£'1/4(1-1/£')1/2,
где E’ = EIEt.
Отметим, что для большинства рассматриваемых типов ЭРД энергии ионов в пе-
риферийной зоне струи составляют 10-150 эВ, т. е. как раз попадают в интервал
энергий, где справедлива приведенная формула. Это обстоятельство существенно
облегчает задачу определения коэффициентов распыления и позволяет производить
измерения для ограниченного количества экспериментальных точек по энергии.
При дальнейшем увеличении энергии ионов рост коэффициента распыления за-
медляется, он достигает максимума и затем начинает уменьшаться. Энергетическая
зависимость коэффициента распыления в области энергий 0,1-1 кэВ хорошо иссле-
дована и в первом приближении является линейной. При увеличении энергии выше
1 кэВ зависимость от энергии становится более пологой и до максимума коэффици-
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
631
Рис. 2.3.11. Типичные кривые
зависимости коэффициента распыления
от угла падения ионов О
Рис. 2.3.12. Типичные кривые зависимости
массового коэффициента распыления Sm
от зарядового флюенса Ф
ента распыления может быть аппроксимирована функцией Е1/2. Дальнейший ход кри-
вой распыления связан с уменьшением выхода распыленных частиц, поэтому с рос-
том энергии коэффициент распыления плавно снижается.
Зависимость коэффициента распыления от угла падения ионов 0 имеет характер-
ный максимум в области углов падения 50-60°, а при больших углах быстро уменьша-
ется (рис. 2.3.11). Такая зависимость обусловлена, как предполагается, быстрым ростом
коэффициента отражения при приближении к направлению скользящего падения. К
сожалению, в имеющихся экспериментальных данных, зачастую противоречащих
друг другу, никаких более определенных закономерностей заметить не удается.
Для многих материалов наблюдается существенное влияние дозы (зарядового
флюенса) Ф на коэффициент распыления [31] (рис. 2.3.12). Особенно сильно такое
влияние проявляется у керамик, эмалей и органических материалов. Для этих мате-
риалов наблюдается постепенное снижение коэффициента распыления по сравнению
с начальным значением. Изменение коэффициента распыления в начальный период
объясняется тем, что в это время уносится поверхностный слой, измененный в про-
цессе обработки. Для металлов характерно постепенное увеличение коэффициента
распыления, обусловленное удалением оксидной пленки с поверхности. Стабилиза-
ция наступает при достижении дозы падающих ионов Ф = 100-200 Кл-см"2 (такие
дозы реализуются в первые 10-100 часов работы ЭРД в лабораторных условиях и
при значительно больших временах в условиях летной эксплуатации КА).
Обобщая сказанное выше, для скорости эрозии, характеризуемой изменением во
времени глубины эрозии 8, можно записать следующее выражение:
. [/(£)£„ (£,0,Ф)<7£
б/8 Ji /ч F
---= — COS0 -----f-----------,
dt р \J\E)dE
Е
где ji - плотность ионного тока в заданной точке поверхности; Sm(E, 0, Ф) - массовый
коэффициент распыления; /(£) - функция распределения ионов струи по энергиям.
632
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Следует отметить, что поскольку в периферийной зоне струи энергии ионов близ-
ки к пороговым энергиям распыления, функция распределения f(E) будет оказывать
существенное влияние на величину скорости распыления. Поэтому при расчетах
очень важно иметь достаточно подробные и достоверные данные по энергетическому
распределению ионов струи в периферийных зонах.
2.3.3.2. Загрязняющее воздействие струй ЭРД на КА
Под загрязняющим воздействием струй ЭРД подразумевают осаждение на функ-
циональных поверхностях КА тонких пленок, образованных продуктами распыления
материалов внешних поверхностей КА или элементов конструкции двигателя. Ре-
зультатом такого воздействия является изменение оптических и термических свойств
функциональных поверхностей КА, таких, например, как терморегулирующие по-
крытия, элементы оптики, защитные стекла СБ.
Обычно для характеристики свойств образующихся пленок используют величину
поверхностной плотности тс [мг-см-2], а также данные о составе пленки. Особенно
важно учесть содержание металлов, поскольку они приводят к более сильным изме-
нениям оптических свойств поверхности, чем неметаллические продукты осаждения.
Для большинства оптических поверхностей КА может быть определен критический
уровень загрязнений шцт, при превышении которого изменение функциональных
характеристик поверхностей становится для КА критичным. По имеющимся в лите-
ратуре данным, величина составляет ~10-7-10-5 г-см-2.
Для оценки изменения оптических свойств поверхностей при образовании на них
тонких пленок могут быть использованы различные модели, отличающиеся уровнем
сложности и набором используемых параметров. Однако, учитывая существенную
неопределенность в свойствах пленок, предпочтение следует отдавать простым мо-
делям с малым числом параметров. Значительного упрощения задачи можно добить-
ся, приняв во внимание относительно небольшую толщину образующегося осадка
(10-100 нм). При образовании более толстых пленок изменение оптических свойств
может оказаться выше критического уровня.
На рис. 2.3.13 представлены результаты расчетов максимальных значений (в
предположении полного осаждения продуктов распыления) поверхностной плотно-
сти пленок, образованных в результате распыления струей ЭРД элементов конструк-
ции СБ КА. Расчеты проведены с помощью программы [28] для двух характерных
компоновок КА с различными углами установки двигателя. Как видно из этого ри-
сунка, за 1 000 часов работы двигателя максимальный уровень загрязнения продук-
тами распыления составляет -4-10-5 и 5-10-7г-см-2 соответственно. Эти величины
соизмеримы с критическим уровнем загрязнений оптических поверхностей, что го-
ворит о возможности значительного влияния загрязнений на характеристики оптиче-
ских поверхностей КА.
В настоящее время единственным способом получения информации об уровнях
загрязнения поверхностей КА и об изменении их функциональных характеристик
под действием ЭРД в космосе является математическое моделирование. При прове-
дении натурных экспериментов выделить осаждение массы, связанной с распылени-
ем поверхностей КА струей ЭРД, не всегда представляется возможным. Исходными
данными для анализа обычно являются результаты лабораторных исследований.
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
633
2,5 5,0
Скорость осаждения,
10 * мг-см 2-ч 1
Скорость осаждения,
10~10 мг-см “2-ч 1
б
Рис. 2.3.13. Характерные значения скорости загрязнения поверхности типичных КА с углами
установки СПД 0° (а) и 45° (б)
При проведении анализа уровня загрязнений необходимо учитывать индикатрису
распыления материалов, коэффициент прилипания распыленного вещества и оптиче-
ские свойства образующихся пленок. На рис. 2.3.14 приведены характерные инди-
катрисы распыления при двух углах падения ионов с энергиями около 200 эВ.
Большое влияние на результаты расчетов оказывает выбор значения коэффициен-
та прилипания продуктов распыления, который для неметаллических материалов
(стекло, керамика, эмали) может быть существенно меньше единицы [31]. Кроме то-
го, возможность осаждения продуктов распыления определяется плотностью потока
частиц распыления и температурой поверхности. Осаждение не происходит, если
плотность потока частиц распыления ниже критической при данной температуре
верхности.
Оптические свойства пленок можно охарактеризовать двумя парами основных
раметров - коэффициентами затухания (экстинкции) р$, рг и коэффициентами
глощения А т монолитной пленки в видимой (индекс Л) и инфракрасной (индекс Т)
областях спектра. Тогда изменение оптических свойств покрытий можно определить
по интерполяционным соотношениям [32].
Продукты распыления элементов конструкции
самого ЭРД также могут осаждаться на поверх-
ности КА и приводить к их дополнительному
загрязнению. Однако потоки осаждения в этом
случае существенно ниже Также в зоне действия
ускоренных ионов осаждение продуктов распы-
ления не представляет большой опасности, по-
скольку в этой зоне происходит интенсивная са-
моочистка поверхности КА. Для двигателей типа
СПД область самоочистки простирается до углов
отклонения 60-70°.
по-
па-
по-
Рис. 2.3.14. Типичные индикатрисы
распыления
634
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
В то же время в результате взаимодействия частиц распыления с ускоренными
ионами струи может происходить их перезарядка и выталкивание из струи в обрат-
ном направлении. Аналогичный эффект может возникать при столкновении частиц
распыления с частицами собственной внешней атмосферы КА. Поскольку общая
масса распыленного вещества может быть весьма значительной (для СПД-100 полная
потеря массы за счет распыления керамики составляет 20-30 г за ресурс [23]), то учет
возвратных потоков для КА с повышенными требованиями к чистоте внешних по-
верхностей является необходимым.
Оценки, проведенные в работах [33, 34], показывают, что уровни загрязнения в
области действия прямых потоков могут достигать 10"7-10"6 г-см"2, (т. е. близки к
критическому уровню загрязнений), а в области обратных потоков 10"9-10"8 г-см"2. В
состав продуктов распыления входят в основном бор, алюминий и азот. В [35] прове-
дены расчетные оценки загрязнения в течение 1 года поверхности КА «Электро-1»
продуктами истечения аммиачных ЭНД.
2.3.3.3. Силовое и тепловое воздействие струй ЭРД иа КА
Под силовым воздействием струй ЭРД на КА подразумевают возникновение воз-
мущающих усилий и моментов, а также дополнительных потерь тяги, являющихся
результатом взаимодействия струи с поверхностью КА. Под тепловым воздействием
в данном случае понимается дополнительный нагрев поверхности за счет ионной
бомбардировки.
Теоретические основы определения силового и теплового воздействия потоков
частиц разреженного газа и плазмы подробно изложены в обзорных работах [36, 37].
В зависимости от компоновки КА и параметров струи ЭРД предельные значения си-
ловых возмущений и потерь тяги могут меняться от десятых долей до десятков про-
центов тяги ЭРД. В некоторых случаях для компенсации этих возмущений может
потребоваться значительный дополнительный расход рабочего тела. При неправиль-
ной компоновке КА возможны ситуации, когда система ориентации не сможет ском-
пенсировать возмущающие моменты со стороны струи ЭРД, что может привести к
потере КА.
Основное влияние на величины динамических возмущений оказывают компонов-
ка КА и расходимость струи ЭРД. Очевидно, что чем меньше площадь поверхности
КА, попадающей в струю ЭРД, тем меньше величина силовых возмущений. По-
скольку в большинстве случаев возмущения возникают в результате попадания струи
на панели СБ, предпочтение следует отдавать компоновкам, в которых струя затра-
гивает меньшую площадь СБ. К сожалению, требования баллистики не всегда позво-
ляют расположить двигатели в плоскости, перпендикулярной плоскости батарей. В
лучшем случае удается расположить ДУ под углом осев = 30-45° относительно по-
верхности СБ. Такие конструкции характерны для спутников стран ЕС, а также для
российских спутников типа «Ямал».
Расчеты, проведенные по методике [28], показывают, что для схемы с ссСб = 45°
силовые возмущения уменьшаются более чем на порядок по сравнению со случаем
оссб ~ 0°. Однако для схемы с ссСб = 45° почти в 1,5 раза возрастают потери тяги, свя-
занные с поворотом двигателей относительно продольной оси КА. Рис. 2.3.15 иллю-
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
635
Угол расходимости, град.
Угол расходимости, град.
Рис. 2.3.15. Влияние угла расходимости струи на величины возмущающих усилий (1)
и моментов (2), а также на потери тяги ЭРД (3): а - аСв = 0°; б - аСв = 45°
стрирует влияние угла расходимости струи на величины возникающих возмущений
при двух значениях угла ссСб-
При интеграции ЭРД на КА большое значение имеет возможность прогнозирова-
ния силовых возмущений. Наибольшую трудность в решении этой задачи представ-
ляют собой адекватное описание струи ЭРД и определение значений коэффициентов
аккомодации при взаимодействии ионов с поверхностью, экспериментальное изме-
рение которых является весьма трудным. Имеются данные о прямых измерениях ко-
эффициентов аккомодации фрагментов панелей СБ в вакуумных камерах при воздей-
ствии струи СПД-100 [38-40].
Существует другой способ получения данных о коэффициентах аккомодации -
решение обратной задачи по результатам измерений в летных условиях силовых воз-
мущений, действующих на КА. Здесь также есть значительные сложности, обуслов-
ленные отсутствием специальных средств измерения (обычно для оценки силового
воздействия струи используется информация о работе системы ориентации и данные
траекторных измерений) и необходимостью выделения на фоне других факторов си-
ловых возмущений, вызванных ЭРД. Кроме того, при решении обратной задачи могут
возникать математические трудности, связанные с недостатком информации [33].
В работе [40] путем обработки данных натурных экспериментов на КА «Галс»
были определены коэффициенты аккомодации нормального и тангенциального им-
пульса, которые соответственно составили <зп = 0,58, сгт = 0,58 для лицевой поверхно-
сти СБ и сг„ = 0,9, сгт = 0,82 для тыльной. В качестве физического объяснения малых
значений коэффициентов аккомодации для лицевой поверхности СБ можно предло-
жить влияние скользящих углов падения ионов, которые в рассматриваемом случае
не превышали 50-60°, а также неточность модели струи. В то же время даже при
этих значениях коэффициентов аккомодации была получена удовлетворительная
точность аппроксимации экспериментальных данных. Результаты для тыльной по-
верхности СБ значительно ближе к физическим представлениям о процессах аккомо-
дации. Аналогичные данные были получены на КА «Метеор-Природа» [41].
636
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Следует отметить, что получаемые при решении обратной задачи коэффициенты
аккомодации не являются таковыми в физическом смысле. Дело в том, что при про-
ведении расчетов, как правило, не учитывается реальная конструкция СБ, нали-
чие на поверхности выступов, впадин, макрорельефа, структурированных элемен-
тов (например, поддерживающей сетки) и т. п. Поэтому полученные таким образом
коэффициенты являются, по сути, подгоночными параметрами, обеспечивающими
наилучшее согласие результатов расчета с экспериментом. Использование этих
коэффициентов в других задачах (т. е. при другой конструкции СБ, другой модели
струи и т. п.) не всегда является обоснованным.
Возмущающие моменты от работы ЭНД имеют ту же природу. Однако из-за
меньших значений скорости истечения и угла расходимости струи их максимальные
значения обычно не превышают 2-5% от величины управляющих моментов [35].
Тепловое воздействие струй ЭРД на КА за счет ионной бомбардировки, как пра-
вило, незначительно. Исключение составляют случаи, когда элементы конструкции
находятся в непосредственной близости от двигателя или на оси струи. Однако такие
случаи достаточно редки и при проектировании КА их стремятся исключить. Тепло-
вые потоки от струи ЭРД на поверхностях большинства типичных КА по расче-
там [33] не превышают 20-30 Вт-м"2, поэтому в большинстве случаев этим видом
воздействия можно пренебречь.
2.3.3.4. Влияние струй ЭРД на солнечные батареи КА
Одной из важнейших систем КА, на которые могут воздействовать струи ЭРД,
являются СБ. Однако изменения мощности СБ, вызываемые воздействием на них
струй ЭРД, относительно невелики, происходят очень медленно, и их трудно выде-
лить на фоне естественного старения батарей. Поэтому накопленная информация о
данном виде воздействия достаточно ограничена и противоречива.
В работе [42] на основании анализа результатов лабораторных экспериментов и
данных эксплуатации геостационарных КА средние потери мощности СБ за счет воз-
действия струй ЭРД оцениваются на уровне 1,5-2,0% за 10 лет. В то же время име-
Рис. 2.3.16. Кривые падения мощности СБ
геостационарных КА: 1 - с СПД, 2 - без СПД
ются данные [43,44], показывающие, что
при определенных условиях влияние ЭРД на
работу СБ может быть существенно больше,
или наоборот - существенно меньше.
Так, в 1974-1975 гг. на КА «Метеор-При-
рода-1» была реализована ситуация, позво-
лившая провести уникальный космический
эксперимент, в котором в течение 300 ч струя
СПД «ЭОЛ-2» (Up = 160-170 В; /р = 2,5 А) по-
падала на панели СБ при их фиксированном
взаимном расположении (угол между плос-
костью СБ и осью двигателя < 20°). Измере-
ния мощности СБ проводились в условиях
одинаковой освещенности. В результате воз-
действия ионного потока от ЭРД с плот-
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
637
ностью тока 0,025 мА-см"2 и энергией ионов около 100 эВ произошло снижение элек-
трической мощности СБ на ~5-6% [43]. В работе [44] приводятся данные о работе СБ
на геостационарных связных спутниках с СПД-100 на борту (рис. 2.3.16). Здесь на-
блюдается обратная картина - для батарей, подвергавшихся воздействию струи ЭРД,
снижение мощности за 3 года оказалось меньше, чем для СБ, не подвергавшихся та-
кому воздействию.
Таким образом, однозначного ответа на вопрос о степени воздействия струй ЭРД
на СБ данные натурной эксплуатации пока не дают. И прежде всего, это связано с
многообразием физических процессов взаимодействия струи ЭРД с поверхностью СБ
(см. табл. 2.3.3 [33]). Как видно из этой таблицы, не для всех процессов удается оце-
Таблица 2.3.3
Физические процессы взаимодействия струи ЭРД с поверхностью СБ
Процесс Эффекты воздействия Уровень деградации, %
Эрозия защитного стекла • нарушение структуры поверхностного слоя; • образование микрорельефа; • уменьшение прозрачности; • изменение термооптических свойств стекол; • повышение температуры СБ 0,1-20
Распыление покрытий • уменьшение коэффициента пропускания; • повышение влияния УФ; • потемнение стекол <2
Загрязнение продуктами распыления элементов конструкции ЭРД • уменьшение коэффициента пропускания стекол < 1-2
Очистка поверхности СБ от загрязнений продуктами СВА Перепыление (критично для СБ с концентраторами) Возникновение дуговых разрядов (критично для высоковольтных СБ) Загрязнение торцов СЭ Нагрев поверхности за счет ионной бомбардировки и теплового излучения двигателя (критично при расположении СБ на расстоянии менее 0,5 м от ЭРД и большой мощности двигателя) Распыление элементов конструкции • увеличение коэффициента пропускания стекол; • ослабление влияния струи на поверхность СБ • осаждение на поверхности СБ продуктов распыления; • уменьшение коэффициента пропускания защитных покрытий • механическое разрушение защитного покрытия, элементов СБ и токопроводящих элементов • образование каналов поверхностной проводимости в теле полупроводникового ФП • дополнительная деградация полупроводникового ФП; • отклеивание защитного покрытия • охрупчивание сетеполотна и проводников; • распыление эмалевых покрытий; • изменение теплового режима работы СБ; • распыление межсоединителей; • увеличение омического сопротивления +(3-5)
638
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
нить степень их влияния на параметры СБ. Большое влияние на процесс деградации
могут также оказывать конструктивные особенности и условия эксплуатации СБ.
Многообразие возможных реализаций процесса деградации стало причиной того,
что, несмотря на длительные и разноплановые исследования, до сих пор не создано
единой теории, достаточно адекватно описывающей воздействие ЭРД на СБ.
Одной из первых экспериментальных работ в этом направлении были совместные
испытания двигателя СПД-50 (напряжение разряда Up= 160 В, ток разряда /р = 2,5 А)
с экспериментальной панелью СБ, установленной под углом ~10° к оси и на расстоя-
нии ~10 см от среза двигателя. Эксперименты проводились в ИАЭ им. И.В. Курчато-
ва. Данное взаимное расположение характеризовало наиболее сложную ситуацию,
которая могла реализоваться на КА «Метеор». В течение десятичасовых испытаний
не было замечено существенных изменений вольт-амперных характеристик СБ. Од-
нако из-за недостаточной продолжительности испытаний и возможного влияния па-
ров масла, присутствующих в вакуумной камере, окончательных выводов о степени
влияния струи СПД на работоспособность СБ по результатам этих экспериментов
сделать было нельзя.
Таблица 2.3.4
Параметры двигателей, использовавшихся в экспериментах
Режим т, 10 6 кг-с 1 Ар, кВт с/р, В 7Р,А
1 2,4 0,4 160 2,5
2 34 19,5 500 39
Продолжением этих работ стали эксперименты [45] по определению стойкости
СБ при длительном воздействии на них струи и теплового излучения СПД. Испыта-
ния проводились в двух режимах, параметры которых приведены в табл. 2.3.4, где
т - расход ксенона; t/p, /р, Np - напряжение, ток и мощность разряда в СПД соответ-
Рис. 2.3.17. Изменение вольт-амперной
характеристики СБ после воздействия
струи ЭРД в режиме 1:1- исходная
характеристика СБ; 2 - после 50 ч
ственно.
В режиме 1 было получено незначитель-
ное (в пределах ошибок измерений) изме-
нение вольт-амперных характеристик СБ
(рис. 2.3.17). Снижение величины тока ко-
роткого замыкания /кз в результате такого
воздействия составило ~7%. Обнаружена за-
метная эрозия открытых металлических по-
верхностей (элементов коммутации) и ли-
цевых участков ФЭП. Температура поверх-
ности батареи в этом режиме составляла
около 40°С.
Эксперимент в режиме 2 проводился в
два этапа по 25 часов. Испытанию подверг-
лись две технологические панели СБ площа-
дью около 0,8 м2. Воздействие струи и теп-
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
639
25 30 35 Up, В
Рис. 2.3.18. Изменение вольт-амперных
характеристик СБ после воздействия
струи ЭРД в режиме 2:
1 - исходная характеристика СБ-1 и СБ-2;
2, 3 - СБ-1 после 25 и 50 ч соответственно;
4, 5 - СБ-2 после 25 и 50 ч соответственно
левого излучения СПД привело к заметно-
му ухудшению вольт-амперных характери-
стик обеих панелей (рис. 2.3.18). Панель
СБ-2 находилась в более неблагоприятных
по сравнению с СБ-1 условиях, что приве-
ло к ее большей деградации. Наиболее
сильному эрозионному воздействию под-
верглись открытые коммутационные эле-
менты СБ, места пайки и металлическое
напыление защитных стекол.
В целом, воздействие струи и излучения
двигателя в течение 50 ч привело к ухуд-
шению характеристик СБ на -20% (ре-
жим 2). Причем наблюдавшиеся потери бы-
ли связаны, главным образом, с воздейст-
вием на рабочую поверхность СБ теплового
потока. В этом режиме происходил сильный
нагрев поверхностей СБ (-150°С) за счет
теплового излучения двигателя. Энергия
ионного потока, достигающего поверхности СБ, была ниже, чем в режиме 1.
Замеченное травление мест пайки коммутационных проводов можно объяснить
следующими особенностями взаимодействия плазмы с соответствующими материа-
лами (олово, медь):
• коэффициент распыления ионами Хе+ для олова и меди при энергии ионов
-100 эВ, составляющий 1-3 атом/ион [30], более чем на порядок величины
превышает коэффициент распыления SiO2;
• в отличие от стекла, на котором образуется слой адсорбированных атомов
(молекул) остаточных газов, поверхности металлов (олово, медь) практически
остаются чистыми.
Следовательно, поток ионов, попадающий на поверхность проводников, приводит
непосредственно к их распылению. А при воздействии на стекло, поверхность кото-
рого практически мгновенно покрывается слоем адсорбированных атомов, ионный
поток как бы сметает газовую пленку, лишь в редких случаях достигая самой поверх-
ности.
Более поздними являются данные экспериментов [46], проведенных в условиях
безмасляного вакуума. В этих экспериментах было зафиксировано постепенное
уменьшение тока короткого замыкания при незначительном изменении напряжения
холостого хода (рабочий газ - Хе, плотность ионного тока - 0,05 мА-см”2, угол паде-
ния ионов - 45°, средняя энергия ионов - 280 эВ), что говорит об изменении оптиче-
ских свойств стекла (рис. 2.3.19). Последующие измерения спектральных характери-
стик защитных стекол показали, что наблюдается уменьшение прозрачности во всем
диапазоне длин волн (рис. 2.3.20).
Причиной оптических потерь, по мнению авторов работы [47], является возник-
новение точечных дефектов в поверхностном слое стекла при ионной бомбардиров-
ке. В [47] сообщается о возможности релаксации нарушенного слоя и восстановления
640
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.3.19. Изменение тока короткого
замыкания /кзот времени
Рис. 2.3.20. Изменение спектральной
прозрачности образцов защитных стекол
оптических свойств стекла. Для описания данного эффекта предложена модель обра-
зования и рекомбинации дефектов. Указывается также, что микрорельефа на поверх-
ности стекла обнаружено не было.
В работах [48, 49] было показано, что одной из причин потерь мощности СБ мо-
жет быть образование микрорельефа на поверхности защитного стекла. В [48] иссле-
довалось боросиликатное стекло с микровкраплениями церия. После воздействия
струи ксеноновой плазмы в течение 35 часов, на поверхности стекла образовался
четко выраженный микрорельеф (рис. 2.3.21).
Образование микрорельефа привело к значительному снижению прозрачности
стекла (рис. 2.3.22). В видимой области спектра снижение прозрачности составило
около 10-20%.
Аналогичный эффект наблюдался при воздействии плазменной струи на защит-
ное стекло на основе окиси кремния [49]. Для пяти образцов, устанавливавшихся под
углами а = 45-65° относительно оси плазменного потока, было зарегистрировано
снижение коэффициента пропускания на 2-12% в диапазоне длин волн
—350—1100 нм, более сильное вблизи коротковолновой границы указанного диапазо-
на и уменьшающееся с ростом длины волны. Снижение интегральной прозрачности
образцов составило 1-5%. Уменьшение прозрачности можно объяснить рассеянием и
поглощением света на элементах микрорельефа поверхности.
Рис. 2.3.21. Микрорельеф на поверхности защитного стекла СБ
(режим облучения: 35 ч, 0,2 мА-см“2, 45°, 200 эВ;
характерный размер неоднородностей - 10 мкм):
а - увеличение 1 х 100, б - 1 х 1 000
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
641
Рис. 2.3.22. Изменение спектральной
прозрачности стекла при образовании
микрорельефа на его поверхности
до (1) и после (2) воздействия
На рис. 2.3.23 представлены распределе-
ния образовавшихся на образцах впадин по
размерам (сплошная линия), полученные
при двух значениях угла а: 45° и 65°. Раз-
меры впадин измерялись по радиусу опи-
санной окружности. На графиках виден ли-
нейный участок функции распределения
(пунктирная линия). Отклонение от линей-
ности в области крупных впадин может
быть связано с влиянием дозы облучения на
коэффициенты распыления материала. Как
было показано выше, по мере распыления
материала скорость эрозии уменьшается.
После набора достаточно большой дозы
(более 50-100 Кл-см"2) скорость эрозии ста-
билизируется [50]. Отношение скоростей
эрозии до и после стабилизации может дос-
тигать 2-5. Если для стекла такая зависимость справедлива, то скорость роста впадин
в начальный период времени должна быть больше, чем после стабилизации. Однако
нельзя исключать, что на поверхности присутствует два типа впадин, имеющих раз-
личные механизмы образования. Например, мелкие впадины могут образовываться в
результате эрозии дислокаций, а крупные - в результате распыления технологиче-
ских макронеоднородностей, всегда присутствующих в стекле. На функции распре-
деления крупных впадин также просматривается линейный участок. Но его наклон
существенно меньше, чем в области малых впадин.
Для математического описания рельефа принимается, что рост впадин начинается
от точечного центра и увеличивается пропорционально глубине эрозии:
67(5) = г/(5-5л),
где и - относительная скорость роста впадины; «(5) - размер впадины; 5, - глубина
эрозии и глубина зарождения впадины соответственно.
Рис. 2.3.23. Распределение впадин по размерам: а - а = 45°, б - а = 65'
642
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Принимается также, что центры образования впадин (или «центры роста») появ-
ляются на поверхности стекла с одинаковой частотой по мере ее распыления. Это
приводит к следующей зависимости поверхностной плотности впадин No от глубины
эрозии:
Nq = v5,
где v - частота образования впадин на поверхности стекла по мере его распыления.
В этих предположениях функция распределения впадин по размерам может быть
записана в виде:
Г А
N(a>A) = N0 1------,
\ ^тах у
где максимальный размер впадины ятах = w5.
Выше отмечалось, что степень ослабления светового потока уменьшается с уве-
личением длины волны X. Если принять, что это ослабление соответствует закону
ехр(-я2/Х2), то уменьшение прозрачности стекла можно описать выражением [51]:
АГ = 1-ехр(-^(а)5а),
где£?х(я) - коэффициент экстинкции на впадинах, определяемый из эксперимен-
тальных данных; а - средний размер впадин; Sa - площадь впадин.
Для обобщения экспериментальных данных по эрозионному воздействию струй
ЭРД на СБ в работе [52] предложена простая полуэмпирическая модель, позволяю-
щая связать деградацию оптических характеристик СБ с глубиной эрозии защитного
стекла. В этой модели принято, что при распылении некоторого слоя вещества 50 на-
ступает стабилизация оптических свойств поверхности, а изменение прозрачности
стекла происходит согласно зависимости:
= АТ^ (1-ехр(-8/80)),
где АГтах - предельно возможное изменение коэффициента пропускания стекла при
заданных параметрах ионного потока.
Параметры модели являются функциями свойств мишени, бомбардирующих ио-
нов, условий бомбардировки и исходного состояния поверхности мишени и должны
определяться из эксперимента или из расчета. Следует отметить, что в зависимости
от ситуации параметры этой модели могут варьироваться в очень широких пределах.
Например, обработка данных [49] дает АГтах = 3,4% и 50 = 18,5 мкм, а данных [46] -
АГтах= 35% и 5о = 9 мкм. Применяя модель к результатам экспериментов на
КА «Метеор-Природа» [43], можно получить АГтах = 24% и 50 = 0,04 мкм. Причиной
столь больших расхождений являются, по-видимому, различия в условиях облучения
и механизмах деградации. Вместе с тем нельзя отрицать возможность влияния на
полученные данные условий проведения экспериментов.
По результатам проведенных исследований можно сформулировать следующие вы-
воды и рекомендации по конструированию СБ, работающих в струе плазмы СПД.
1. Влияние струи ЭРД на работу СБ при определенных условиях может оказаться
значительным.
2. Необходимо предусмотреть защиту всех открытых металлических поверх-
ностей панели СБ. Места пайки проводников ряда групп с силовой шиной и места
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
643
припайки проволочных перемычек к лицевым контактным полоскам следует покрыть
электроизолирующим материалом.
3. Лицевые и торцевые поверхности ФЭП следует защищать слоем диэлектрика,
не вызывающим утечек тока.
4. Отработка элементов конструкции СБ по возможности должна включать стен-
довые и натурные испытания в струе СПД в реальных масштабах времени.
2.3.4. Влияние плазменных образований на работу бортовой аппаратуры
2.З.4.1. Механизмы влияния
Переход на негерметичное исполнение отсека полезной нагрузки КА и исполь-
зование ЭРД на большинстве перспективных КА привело к появлению дополни-
тельного канала взаимодействия между БРТК и ДУ. Этим дополнительным ка-
налом является плазма, формируемая при работе ЭРД. Наличие плазмы в области
высоковольтного оборудования БРТК (например, лампы бегущей волны или блоков
питания) может стать причиной высоковольтных пробоев или возникновения токов
утечки, способных привести к нарушению нормального функционирования БРТК и
КА в целом. В связи с этим данный фактор должен учитываться при разработке
конструкции КА и формировании требований на бортовую аппаратуру.
К сожалению, в настоящее время физика процессов взаимодействия между ЭРД и
БРТК детально не изучена. Имеются только гипотезы, объясняющие возможные ме-
ханизмы такого взаимодействия. В качестве приближенной аналогии процессов
взаимодействия рассматривается возникновение дуговых пробоев на высоковольт-
ных СБ, функционирующих на низких орбитах или при наличии плазмы, формируе-
мой при работе ЭРД [53, 54]. По этим данным дуговые пробои наблюдаются при по-
тенциале СБ 200-300 В и концентрации плазмы от 104-105 см-3 и выше. Возможны и
другие эффекты, связанные с поверхностными пробоями или распылением элементов
конструкции ионами, ускоренными в электрических полях, формируемых высоко-
вольтным оборудованием.
В то же время эксплуатация ряда КА показала, что при использовании блоков
БРТК, рассчитанных на работу в гермоотсеке без дополнительных средств защиты,
плазма ЭРД может оказывать негативное воздействие на их работу. Однако испыта-
ния устройств производства фирмы Alcatel, специально спроектированных для рабо-
ты в приборных отсеках негерметичного исполнения, показали, что при наличии дос-
таточной защиты плазма СПД не влияет на работу БРТК.
Исходя из сказанного выше и учитывая сложность задачи детального исследова-
ния механизмов взаимодействия, в настоящее время принят следующий алгоритм
обеспечения совместимости БРТК с ЭРД. Сначала определяется концентрация час-
тиц плазмы над поверхностью КА в области вентиляционных отверстий (ВО), через
которые плазма может проникать во внутренние полости КА. Затем, исходя из гео-
метрии ВО, оценивается коэффициент ослабления потока плазмы при прохождении
через ВО. Для получения наиболее достоверных оценок коэффициент ослабления
может быть определен экспериментально (методика измерения имеется в МАИ). По-
сле этого оценивается распространение плазмы внутри отсека и концентрация плаз-
644
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
мы в непосредственной близости к высоковольтным блокам БРТК. На основании
полученных значений параметров плазмы формируются требования по плазме к бор-
товой аппаратуре (в частности, к высоковольтным блокам БРТК). Далее, для провер-
ки работоспособности аппаратуры и подтверждения ее совместимости с электрора-
кетной ДУ проводятся испытания аппаратуры в условиях модельного вакуума при
заданных параметрах плазмы.
В ходе проведения этих испытаний были также определены предельные парамет-
ры плазмы, которые могут возникать вблизи блоков БРТК. Так, концентрация ионов
составила (1-5)4 О8 см-3, а энергия ионов - до 50 эВ. При определении этих парамет-
ров использовались данные по концентрации плазмы на внешних поверхностях
КА «Экспресс-A». Ослабление потоков плазмы при ее проникновении под кожух
экранно-вакуумной теплоизоляции не учитывалось. Для КА других типов параметры
плазмы могут существенно отличаться от указанных значений из-за отличий в конст-
руктивной схеме КА и используемых типов двигателей.
2.3.4.2. Модель проникновения плазмы в негерметичный отсек
Попасть с негерметичный отсек могут только медленные ионы струи, возникшие
в результате процессов перезарядки, или ионы, отраженные от внешних поверхно-
стей КА. Ускоренные ионы струи (с энергиями более 50-100 эВ) движутся практиче-
ски по прямолинейным траекториям, что не позволяет им проникнуть в приборный
отсек без каскада отражений от поверхностей КА (например, от поверхности пане-
лей СБ). Но при отражении большая часть (более 90%) ионов рекомбинирует, а ионы,
отраженные без рекомбинации, теряют значительную часть кинетической энергии,
переходя в класс тепловых ионов с энергиями менее 50 эВ.
Совершенно иначе ведут себя ионы, образовавшиеся в результате процессов пере-
зарядки. Первоначально они имеют энергии 1-2 эВ и двигаются под действием элек-
трического поля, возникающего вблизи КА при работе ЭРД. Если перед включением
двигателя на поверхности КА присутствовал электрический заряд, образованный
магнитосферной плазмой, он достаточно быстро нейтрализуется за счет работы като-
да-компенсатора. Поэтому при работе двигателя заряд поверхности КА в первом
приближении можно считать нулевым. Потенциал плазмы в периферийных зонах
струи составляет 20-30 эВ. Этот потенциал «выталкивает» ионы перезарядки и они
«окутывают» КА, двигаясь вдоль линий напряженности электрического поля. В ре-
зультате к поверхности КА эти ионы подходят практически по нормали и могут лег-
ко проникнуть через ВО.
Таким образом, можно утверждать, что в приборном отсеке будет присутствовать
в основном холодная плазма и что именно она может оказывать негативное влияние
на работу радиоаппаратуры. Влияние же энергичных ионов маловероятно.
Данное положение подтверждается результатами испытаний, проведенных в
МАИ на установке ПП-2. Аппаратура устанавливалась в вакуумной камере объе-
мом 2 м3, оснащенной безмасляными средствами откачки. Вакуум при работе ис-
точников ионов составлял (0,5-1)40-4 торр. Для имитации плазменных образова-
ний использовались источники ионов холловского типа ВП-30 и СПД-70. Предель-
ная концентрация плазмы, полученная в ходе испытаний, достигала 2 4 09см"3. В
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
645
Рис. 2.3.24. Функции распределения ионов снаружи (а) и внутри (б) кожуха в зависимости
от напряжения на коллекторе (энергии иона). Давление в камере 5-10-5 торр,
ускоряющее напряжение 600 В, ток разряда 0,48 мА
ходе этих экспериментов определялись параметры плазмы снаружи и внутри ме-
таллического перфорированного кожуха, в котором размещалась испытываемая
аппаратура. Было установлено, что средняя энергия ионов внутри блока практиче-
ски не зависит от энергии первичных ионов и может быть принята равной 38,5 эВ в
диапазоне энергии первичных ионов 300-800 эВ. Характерные функции распреде-
ления ионов снаружи и внутри кожуха при использовании источника плазмы ВП-30
представлены на рис. 2.3.24.
Расчет концентрации ионов перезарядки на поверхности КА является довольно
сложной задачей, требующей рассмотрения системы «струя ЭРД - поверхность КА».
Однако проблема решения этой задачи состоит не столько в ее физико-
математической постановке или в ограниченных возможностях вычислительных
средств, сколько в существенной неопределенности граничных условий. В связи с
этим для грубой оценки предельной концентрации ионов перезарядки в различных
точках поверхности КА может быть применен следующий подход.
Полный ток ионов перезарядки ограничен расходом частиц неионизированного
рабочего тела, который обычно составляет 0,85-0,9 полного расхода. Коэффициент
ионизации для ионов перезарядки не превышает 15-20%, а обычно существенно ни-
же. Поэтому предельный полный ток ионов перезарядки можно принять на уровне
3-5% ионного тока струи. Исходя из этого, получаем, что для СПД-100 ток ионов
перезарядки не превысит 0,2 А, а для СПД-70 - 0,1 А.
Плотность тока ионов перезарядки в точке расположения ВО в первом приближе-
нии можно оценить по простой формуле: j = </2/4л7?2, где </2 - полный ток ионов пере-
зарядки, a R - расстояние от выходного сечения двигателя до ВО. Поскольку реаль-
ная траектория иона существенно сложнее и не является прямой линией, данная
оценка дает завышенный результат, т. е. будет оценкой сверху. Характерные значения
концентрации плазмы на поверхности современных КА составляют 107-108 см"3.
При проникновении потоков плазмы через ВО происходит их частичное ослабле-
ние из-за рекомбинации ионов на поверхности. Величина коэффициента ослабления
646
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
определяется прежде всего геометрией ВО и состоянием его внутренних поверхно-
стей. Для ионов ксенона с энергией менее 50 эВ коэффициент рекомбинации на ме-
таллической (электропроводящей) поверхности близок к единице [29]. Материал по-
верхности незначительно влияет на коэффициент рекомбинации. Основное влияние
на него оказывает энергия падающего иона, и по мере ее уменьшения коэффициент
рекомбинации приближается к 100%. Исходя из этого, для снижения концентрации
плазмы во внутренних полостях отсека полезной нагрузки рекомендуется использо-
вать лабиринты, в которых ослабление плазмы достигается за счет многократных
соударений ионов с поверхностью.
Для примера, на рис. 2.3.25 представлены результаты численного моделирования
ослабления потока плазмы цилиндрическим лабиринтом при коэффициенте реком-
бинации 0,9. Расчет проводился методом трассировки лучей Монте-Карло. Коэффи-
циент ослабления потоков плазмы таким лабиринтом в зависимости от геометрии
может изменяться от 102 до 105. Однако надо учитывать, что по мере усложнения
лабиринта (например, увеличения количества перегородок) возрастает время дегаза-
ции внутренней полости КА.
Последующие экспериментальные исследования ослабления потоков плазмы ци-
линдрическими лабиринтами показали, что коэффициент отражения ионов ксенона
составляет около 0,01, при этом коэффициент ослабления потоков плазмы достигает
103-104.
Ослабление плазмы во внутренних полостях отсека при распространении от ВО к
блокам БРТК определяется геометрией отсека и присутствующими в нем электриче-
скими полями. Поскольку по параметрам электрического поля имеется существенная
неопределенность, в первом приближении концентрация плазмы вблизи блоков
БРТК может быть принята равной концентрации на выходе из ВО. При необходимо-
сти уточнения этой оценки можно учесть расстояние от ВО до модуля БРТК и ослаб-
ление ионов за счет рекомбинации на внутренних поверхностях отсека.
Рис. 2.3.25. Поле концентрации плазмы, проникающей
через лабиринт
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
647
2.3.5. Влияние струй электроракетных двигателей на процессы
формирования собственной внешней атмосферы
Классическая теория процессов формирования собственной внешней атмосферы
КА строится на понятии распределенных и локальных источников массы, для кото-
рых рассматриваются различные механизмы массопереноса (см. гл. 1.1). Исходя из
этого, при работе ЭРД можно выделить три дополнительных источника массы:
• распыляемые поверхности космического аппарата;
• распыляемые элементы конструкции самого двигателя;
• собственно струя ЭРД.
В отличие от обычных материалов, массовыделение которых в среднем происходит
равномерно по всей поверхности (за исключением случаев локального разогрева), а
диаграмма рассеяния частиц достаточно точно описывается законом косинуса, на
распыляемых поверхностях наблюдается существенная неравномерность скорости
массоотделения и отклонение диаграммы распыления от закона косинуса. Поэтому
для расчета процессов массопереноса с распыляемых поверхностей необходимо ис-
пользовать более сложные модели, учитывающие указанные особенности. По оцен-
кам, проведенным в [33], суммарная масса распыленного вещества с поверхности СБ
для типичных КА с углами установки СПД 0° и 45° составляет 5-10 и 1-2 г соответ-
ственно. На фоне суммарной потери массы всеми материалами КА и приборами, со-
ставляющей около 1-2 кг, можно сказать, что вклад распыленных частиц в полную
потерю массы КА незначителен. В то же время, учитывая, что практически все распы-
ленное вещество может осаждаться на поверхности КА, а полная масса конденсирую-
щихся компонент составляет около 0,1-0,2 кг, вклад распыленной компоненты стано-
вится заметным.
Распыляемые элементы конструкции самого двигателя можно рассматривать как
точечный источник массы с интенсивностью, меняющейся по углу вылета частиц и
по времени работы двигателя. Полная потеря массы зависит от конструкции и мощ-
ности двигателя. Например, полная потеря массы СПД-100 составляет около 20-30 г
за 2 000 часов работы, что также сопоставимо с содержанием конденсирующихся
компонент всех материалов КА. Однако динамика распыленной компоненты, вы-
летающей из двигателя, существенно сложнее, чем динамика распыленных частиц
материалов внешних поверхностей КА. Это связано с тем, что часть распыленных
частиц двигателя находится в ионизированном состоянии и может ускоряться элект-
рическим полем. При этом индикатриса распыления может существенно отличаться
от индикатрисы, вычисленной без учета этого фактора. Подробное исследование этих
вопросов проведено в работах [24, 25]. Присутствие интенсивных потоков ионов и
нейтральных частиц (включая частицы, появившиеся при перезарядке) может ска-
заться на величине возвратных потоков, обусловленных взаимодействием этих час-
тиц с потоками конденсирующихся компонент СВА.
Анализ всех перечисленных эффектов может быть выполнен путем математиче-
ского моделирования с помощью программного обеспечения [28]. Подробнее эти
вопросы рассмотрены в гл. 1.1.
Отдельно следует упомянуть электрофизические эффекты, возникающие при ра-
боте ЭРД. Например, изменение потенциала КА, появление дополнительных элек-
648
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
трических полей, возможное «окутывание» аппарата ионами струи и др. Некоторые
данные относительно таких процессов были получены в двух натурных эксперимен-
тах, проведенных на КА «Метеор-Природа» и «Астрофизика» [39, 55]. На каждом
из указанных КА устанавливалось по два двигателя «ЭОЛ-2» (СПД М-60). Эти КА
выводились на околополярную орбиту со следующими параметрами: высота
850-900 км, наклонение ~81°, и были ориентированы по осям с точностью не хуже
1-1,5°. Плазменная струя инжектировалась по направлению и против вектора ско-
рости КА в непрерывном режиме и отдельными импульсами.
С помощью модифицированного радиочастотного масс-спектрометра типа Бен-
нетта, установленного на расстоянии около 1,5 м от СПД, регистрировались потоки
ионов, движущихся к поверхности КА. Помимо измерений потоков ионов, оценива-
лись их энергии в диапазоне 0,1-100 эВ с разрешением 1-3 эВ, а также разброс ионов
по энергиям. Были зарегистрированы возвратные потоки ионов Хе+ при обеих ориен-
тациях плазменной струи относительно вектора скорости КА. Так, при исследовании
околоспутниковой среды на КА «Астрофизика» в случае испускания ионной струи
по направлению вектора скорости была зарегистрирована концентрация ионов Хе+ в
месте расположения масс-спектрометра ~107-1010 м-3 при их энергии не более 3 эВ.
При инжекции струи против вектора скорости КА также было выявлено наличие об-
ратных потоков ионов Хе+. Однако в этом случае их концентрация была на два по-
рядка ниже, а энергия имела приблизительно те же значения. При работе СПД было
обнаружено появление потоков ионов О+ , тогда как в предшествующее включению
СПД время ионы О+ не регистрировались.
2.3.6. Электромагнитное воздействие электроракетных двигателей
на системы космических аппаратов и окружающую среду
ЭРД являются активными электродинамическими системами, поэтому примене-
ние их на борту КА требует рассмотрения различных аспектов электромагнитной
совместимости с радиосистемами и другими устройствами аппарата, а также вопро-
сов воздействия на окружающую космическую среду. Помимо этого необходимо
знать влияние плазмы ЭРД на параметры радиоканалов, по которым обеспечивается
связь с наземными комплексами.
Как отмечалось выше, ЭРД могут оказывать воздействие на бортовые системы
как через внешнюю среду, так и через связи, возникающие внутри аппарата.
Электромагнитные помехи внутри аппарата носят кондуктивный характер и обу-
словлены работой преобразователей мощности, которые требуются для большинства
ЭРД. К числу возможных источников электромагнитных помех при работе ЭРД сле-
дует отнести также устройства поджига, электрические цепи разряда и цепи катодов-
компенсаторов (нейтрализаторов), кабельную проводку и т. д. Наводки от двигателей
по цепям могут быть ослаблены надлежащей экранировкой, применением качествен-
ной фильтрации, качественной трассировкой соединительных цепей и т. д. Внешние
помехи связаны с плазмой нейтрализаторов и выходных струй двигателей, взаимо-
действующих с ионосферной плазмой. Наличие таких искусственных плазменных
образований на трассе распространения информационных электромагнитных волн
изменяет условия их распространения, т. е. изменяет параметры радиоканалов.
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
649
Применительно к ЭНД возможными источниками электромагнитного излучения
являются электронагреватели и жгуты (бортовые кабели). Между тем, по результатам
испытаний более 60 двигателей данного типа на различных КА не было обнаружено
отрицательного влияния ЭНД на функционирование бортовых систем. В связи с этим
основное внимание было уделено рассмотрению других типов ЭРД.
2.З.6.1. Электромагнитное излучение плазменных струй
Электромагнитное излучение элементов ЭРД и истекающих плазменных струй
может влиять на работу бортовых радиоэлектронных систем, управляющих и инфор-
мационных вычислительных средств, командных и телеметрических линий, а также
систем радиосвязи с КА и других приборов и устройств, при функционировании ко-
торых электрические и магнитные поля играют важную роль.
Электромагнитное излучение ЭРД различных типов исследовалось многими авто-
рами в диапазоне частот от долей килогерца до 18 ГГц [55-65]. Характер спектра в
различных участках этого диапазона во многом определяется развитием специфиче-
ских для каждого типа двигателя плазменных неустойчивостей, возникающих как в
газовом разряде, так и в выходной плазменной струе. Наличие регулярных колебаний
и волн приводит к повышенным значениям интенсивности электромагнитных полей
в отдельных участках спектра по сравнению с равновесным, тепловым уровнем излу-
чения, что вызывает помехи в работе различных систем. Так, например, ухудшение
отношения сигнал / шум на входе приемных трактов может достигать десятков деци-
бел [56, 59].
Обобщенные параметры электромагнитного излучения некоторых типов ЭРД для
выходной мощности 1 кВт, измеренные в лабораторных условиях, приведены в
табл. 2.3.5 [58]. Эти данные свидетельствуют о том, что СПД вплоть до метрового
диапазона имеет меньший уровень электромагнитного излучения по сравнению с
ДАС и ПИД.
Лабораторные измерения интенсивности электромагнитного излучения СПД и
ионных двигателей в диапазоне частот 104-109 Гц [59] показали, что величина созда-
ваемых электромагнитных полей не превышает уровень фона на расстоянии 1,5 м от
Таблица 2.3.5
Характеристики радиочастотного электромагнитного излучения ЭРД
Тип двигателя Измеряемая частота излучения, МГц Спектральная плотность излучения, Вт-м^-МГц'1 Спектральная плотность излучения для входной мощности 1 кВт, Вт-м"2-МГц-1 Степень неравновесного излучения (по отношению к тепловому уровню)
СПД 500-700 10 000 51О'|2-1О'8 5-10“|1-10'8 1-50
ДАС 20-1 000 3 000 4 000-7 000 10-8-10’5 2-10“’-2-10“6 102-106
ПИД 20-150 10-”-10-6 1СГ9-10“6 10-1О6
650
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Частота, МГц
Рис. 2.3.26. Сопоставление излучения
СПД-100(1) с фоном (2)
и нормативным уровнем (3)
двигателя. Наибольший уровень помех от
ЭРД в относительно низкочастотной облас-
ти (частоты до сотен кГц - единиц МГц)
наблюдается около питающих электриче-
ских цепей, т. е. в непосредственной близо-
сти от двигателей.
Многие бортовые комплексы и систе-
мы КА, особенно телекоммуникационных
ИСЗ, работают в дециметровом и санти-
метровом диапазонах. Поэтому важно де-
тально знать характеристики возможных
помех в этих участках спектра. Примени-
тельно к СПД-100 были проведены изме-
рения электромагнитного излучения в об-
ласти частот от долей кГц до 18 ГГц
[58-61]. На рис. 2.3.26 приведены результа-
ты измерения шума, генерируемого СПД в
гигагерцовом участке спектра. Измерения проводились в металлической вакуумной
камере в окрестности струи с помощью стандартной калиброванной измерительной
аппаратуры. Как видно из рисунка, излучение двигателя превышало фон вплоть до
частот 5-6 ГГц, но в основном его величина оставалась значительно ниже предель-
ных значений нормативного уровня, установленного для спутников связи [61].
Последовательных исследований электромагнитных полей и излучений непосред-
ственно на КА в летных условиях выполнено не было. Однако на КА «Метеор-
Природа» были проведены эксперименты с помощью специально разработанных
приемников, работающих в полосе частот 5-15 кГц (приемник Пн) и 0,8-1,5 МГц
(приемник Пв), а также с использованием входных блоков приемных устройств бор-
товой командной радиолинии, рабочая частота которых лежит в области 30-50 МГЦ.
На указанном аппарате был установлен СПД, мощность которого составляла около
450 Вт. Приемники Пн и Пв располагались на расстоянии 1,2 м ниже среза двигателя.
Приемные антенны бортовой командной радиолинии антенна-зонд 1 и 2 (рис. 2.3.27)
размещались на каждой из двух солнечных панелей 3 на расстоянии около 3,3 м от
выхода СПД. Кроме того, на этих же панелях на расстоянии около метра от СПД
Рис. 2.3.27. Геометрия эксперимента
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
651
80 200 320 /, с
Рис. 2.3.28. Амплитудная зависимость интенсивности
электромагнитного поля: 1 - антенна-зонд 1; 2 - антенна-зонд 2
размещены антенны передатчика телеметрической системы, частота работы которых
лежит в диапазоне 200-250 МГц. Эти антенны, не указанные на рис. 2.3.27, излучали
сигналы, принимаемые на Земле специальными измерительными комплексами. Чув-
ствительность бортовых и наземных приемных устройств была не хуже 1-5 мкВ.
На рис. 2.3.28 представлены результаты измерения пространственного распреде-
ления интенсивности электромагнитного поля на выходе усилителей высокой часто-
ты приемников БКРЛ, каждый из которых связан со своею радиолинией. Указанные
пространственные распределения были получены за счет перемещения солнечных
панелей совместно с антеннами относительно струи в пределах азимутальных углов
ф от -10° до +40°. Из приведенных графиков видно, что наведенные двигателем поля
присутствуют как на входах приемников, расположенных со стороны струи, так и на
диаметрально противоположной стороне относительно корпуса ИСЗ. При включении
только плазменного катода-компенсатора интенсивность наведенных на антенну 1
полей примерно в два раза превышает уровень фона. Включение двигателя сопрово-
ждается повышением уровня интенсивности поля на антенне 1 в 5-6 раз, а на антен-
не 2 в 3-4 раза. Распределение поля относительно струи является существенно неод-
нородным. Поскольку измерения производились на частотах в районе 40 МГц, то,
вероятнее всего, измеренные поля генерируются высокочастотной дрейфовой неус-
тойчивостью и ее гармониками, что хорошо согласуется с лабораторными экспери-
ментами [59]. Дрейфовая неустойчивость связана с азимутальным вращением элек-
тронов в области среза двигателя и хорошо моделируется излучателем в виде кольце-
вой рамки, по которой протекает высокочастотный дрейфовый ток [62]. Сравнение
результатов летных и лабораторных экспериментов свидетельствует об их хорошем
функциональном совпадении (рис. 2.3.29), что указывает на возможность моделиро-
вания в лабораторных условиях волновых процессов ЭРД, происходящих в космиче-
ском пространстве. Наблюдаемые медленные изменения интенсивности колебаний,
652
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.3.29. Изменение амплитуды
электромагнитного поля во времени:
1 - летные испытания (ЭД);
2 - лабораторные эксперименты (ЭД)
тойчивости в разряде, свойства которой
обусловлены, вероятно, тепловыми про-
цессами в конструктивных элементах СПД.
Такое же совпадение результатов летных и
лабораторных экспериментов было полу-
чено и при измерениях в диапазоне частот
5-20 кГц и 0,8-1,4 МГц.
При измерениях на низких частотах с
помощью приемника Пн наблюдалось за-
метное повышение интенсивности сигнала
примерно в 4 раза при включении катода-
компенсатора. Зажигание основного разря-
да приводило к снижению напряжения на
входе Пн в 2 раза и появлению напряжения
на входе приемника Пв в 2-3 раза больше-
го по сравнению с фоновым значением. Из-
меряемые ЭМП с частотами 5-20 кГц обу-
словлены развитием ионизационной неус-
'есно связаны с параметрами электрической
цепи питания. Причины повышенных ЭМП на частотах 0,8-1,2 МГц связаны с гиб-
ридными колебаниями, обусловленными динамикой как электронов, так и ионов.
По результатам измерения интенсивности шумового сигнала было определено
ухудшение отношения сигнал/шум на входе приемников командной радиолинии. В
случае расположения антенны под углом к оси струи не менее 35° фактор шума
ухудшался в 2-3 раза, при 20° - в 3-5 раз, при пересечении струи - от 10 до 30 раз.
Наличие плазмы, создаваемой СПД, влияло на прохождение радиоволн даже в
диапазоне частот 200-250 МГц. Влияние становилось заметнее в случае, если струя
плазмы истекала в пространство вдоль линии связи «KA-Земля». Интенсивность по-
мех в области расположения антенн на КА (1-3 м от СПД) при истечении струи СПД
в среднем увеличивалась до значений, указанных в табл. 2.3.6.
На спутнике SERT II проведено исследование шумового воздействия струи ион-
ного ЭРД [64]. Уровень шума, попадающего в полосу приемного устройства в диапа-
зоне частот 1 700-2 100 МГц, не превышал уровень теплового излучения Земли, что
свидетельствовало об отсутствии паразитного влияния на связь в области частот
2,2-2,6 ГГц.
При испытании СПД на КА «Метеор» и «Метеор-Природа» проверялось влияние
работы двигателей на надежность радиосвязи. В целом радиоизлучение от двигате-
лей не мешало связи. При близком расположении ЭРД к антенне наблюдались неко-
торые помехи [2]. Зафиксирован факт непрохождения команд на борт КА (-15% от
Интенсивность создаваемых помех
Таблица 2.3.6
Диапазон частот, МГц 0,005-0,02 0,8-1,5 30-50 200-250
Напряженность поля, В м-1 0,1 510’3 (1-5)10"4 5-10-6
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
653
общего числа команд) при приближении антенны к струе СПД на расстояние ме-
нее 2 м. Это явление связано с уменьшением отношения сигнал/шум на входе при-
емника бортовой командной радиолинии из-за увеличения уровня шума в 1,5 раза
при частичном попадании плазменной струи на антенну.
Таким образом, исследования показывают, что ЭРД может влиять на радиоэлек-
тронную аппаратуру и волновые процессы на частотах от единиц герц до десятков
гигагерц.
2.3.6.2. Изменение условий прохождения электромагнитных волн и диаграмм
направленности бортовых антенн
При связи ИСЗ с Землей и с другими КА радиоволны будут распространяться че-
рез искусственные плазменные образования, созданные работой ЭРД, и космическую
плазму. Расчет линий космической радиосвязи должен включать учет различных дес-
табилизирующих факторов, вызванных наличием искусственной и естественной
плазмы. Электромагнитные волны, проходя через плазменную струю, вторичную
(ионы перезарядки) и космическую (ионосферную) плазму, изменяют свои характе-
ристики за счет затухания (ослабления), изменения углов рефракции, возникновения
дифракции, появления временных задержек и дисперсных искажений, изменения
поляризации и т. д.
Для оценки указанных изменений струю ЭРД можно рассматривать как однород-
ную изотропную плазму, которая искажает распределения электромагнитных полей в
пространстве. При этом для распространения радиоволн основными определяющими
параметрами струи являются: концентрация электронов nQ и эффективная частота
соударений электронов ve. Для расчета большинства указанных выше эффектов не-
обходимо вычислять интегральное число частиц и размеры плазменных неоднород-
ностей на трассе распространения радиоволн. Расчетная модель должна также учи-
тывать частоту и плотность потока мощности радиочастотного сигнала, направление
распространения сигнала, напряженность магнитного поля.
Специалистами NASA разработан способ расчета уровней принимаемых назем-
ными станциями электромагнитных сигналов, которые проходят через струю ЭРД
[63]. Метод обеспечивает использование простых представлений для нахождения раз-
меров и формы струи, распределения в ней заряженных частиц, частоты их столкно-
вений и уменьшения величины сигнала. При этом течение предполагается затор-
моженным, и учитываются только такие явления, как поглощение и дифракция.
Если радиочастотный сигнал должен проходить через «сверхкритическую» об-
ласть, где электронная плазменная частота превышает несущую частоту радиосигна-
ла, то происходит значительное ослабление сигнала, особенно на низких часто-
тах [65]. В противном случае поглощение сигнала практически не должно происхо-
дить, и основными механизмами потерь радиочастотной мощности становятся
дифракция и рефракция.
Концентрация плазмы, при которой происходит полное внутреннее отражение
падающей электромагнитной волны, равна:
. Г -31
П > И [м ] =---7 _
4,1 J 4 ле2 V
1,1 1019
654
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
где X - длина радиоволны; со - угловая частота электромагнитных волн, взаимодей-
ствующих с плазмой; т и е - соответственно масса и заряд электрона.
Еще одним условием экранирования является требование, чтобы толщина слоя
плазмы / с концентрацией п > икр на линии связи с КА была бы больше глубины про-
никновения электромагнитных полей в плазму, т. е. отвечала бы соотношению:
/» —= 5,36-105и'1/2,
ю0
где соо - электронная ленгмюровская частота; с - скорость света.
Плотность плазмы на выходе из СПД ие~ Ю12 см-3. Она быстро уменьшается за
счет расходимости струи. В диапазоне частот, на которых осуществляется связь,
включая перспективные частоты /=1-30 ГГц, при размерах слоя порядка длины
волны или нескольких длин волн струя плазмы прозрачна.
Для оценки эффектов, возникающих при прохождении радиоволн через струю,
необходимо знать концентрационный профиль струи, т. е. ее геометрию и распреде-
ление концентрации. Непосредственных измерений характеристик струй в космиче-
ских условиях нет, но, как показывают расчеты, при высоте полета КА, равной
1 000 км, концентрация частиц в струе и в окружающей ионосферной плазме
(ие< 104см”3) выравнивается на расстоянии порядка несколько сот метров от ЭРД.
На продольный размер струи сильное влияние оказывает значение питч-угла инжек-
ции к направлению вектора напряженности геомагнитного поля. Размеры вторичной
плазмы, образующейся за счет процессов ионизации и перезарядки около КА, могут
быть на уровне 102 м. Рассматриваемые эффекты сильно зависят от угла связи и гео-
метрии расположения бортовых антенн относительно среза ЭРД, поскольку эти
факторы задают путь распространения волн в струе. Интегральное содержание
электронов ионосферной плазмы в столбе с единичным сечением на высоте 1 000 км
составляет 107-108 см-2.
При использовании приведенных данных и при изменении зенитного угла от
30°до 90°, а частоты от 50 до 200 МГц расчетная поправка на зенитный угол варьиру-
ется от десятков минут до единиц минут, т. е. происходит заметное искажение (реф-
ракция) траектории луча. Флуктуации фаз, углов рефракции, частоты и амплитуды
электромагнитных волн обусловлены стохастическими изменениями концентрации
плазмы, а, следовательно, коэффициента преломления электромагнитных волн, про-
ходящих через ионосферу и плазму ЭРД. Флуктуации фаз из-за плазмы ЭРД могут
достигать нескольких минут. Они влияют на точность определения угловых коорди-
нат и на характеристики направленности антенн. Расчетные значения флуктуаций
углов рефракции могут составлять более десятка минут. Изменение в угле прихода
радиоволны на полторы минуты будет соответствовать флуктуации радиолуча на
местности в пределах 400-500 м при высоте полета ИСЗ Н= 1 000 км.
Фазовая скорость волн в плазме зависит от частоты, что вызывает дисперсионные
искажения радиосигналов. Зависимость фазовой скорости от частоты приводит к то-
му, что каждая составляющая в спектре сигнала будет распространяться со своей
скоростью. Это приведет к изменению параметров модуляции сигнала, в которую
заложена полезная информация. Так, для телевизионного сигнала с полосой в 5 МГц
искажение глубины модуляции из-за наличия плазмы ЭРД составляет примерно де-
сять процентов, что весьма существенно.
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙНА.КА
655
Поскольку плазма является электродинамически активной средой, то струи ЭРД
будут искажать диаграммы направленности бортовых излучателей. Изменения ха-
рактеристик направленности и импеданса антенн могут быть обусловлены изменени-
ем диаметра и угла расходимости струи за счет динамических процессов в канале и в
плазме струи. В работе [59] показано, что значение характеристик направленности
F(cp) в зависимости от азимутального угла ф изменяется от единиц до десятков деци-
белл. Флуктуации параметров радиосигналов частично могут быть вызваны измене-
нием диаграммы направленности бортовых передающих антенн. Теми же причинами
может быть обусловлено изменение уровня шума в сигнале в зависимости от ориен-
тации струи двигателя относительно КА.
2.3.6.3. Эффекты взаимодействия струй ЭРД с окружающей плазмой
Возбуждение волн в ионосфере
Плазменная струя ЭРД, являясь сильно неравновесным образованием, возбуждает
ионосферную плазму, что может быть причиной генерации электромагнитных волн и
изменения характеристик полезных сигналов. Условия возбуждения электромагнит-
ных и плазменных волн зависят прежде всего от согласованных параметров искус-
ственной и естественной плазмы, от питч-угла инжекции струи по отношению к
направлению вектора индукции магнитного поля космического пространства, от
величины магнитного и электрического полей и т. д. Характерным примером пра-
вомерности этих утверждений являются эксперименты, выполненные на метеора-
кетах с помощью импульсных плазменных двигателей, энергия импульса которых
составляла сотни джоулей при длительности импульса около 300 мкс и полном
числе частиц в плазменном сгустке около 1019 частиц. В процессе движения ракеты
по баллистической траектории изменялся питч-угол инжекции. В ракурсной точке
на высоте полета около 120 км были зафиксированы регулярные колебания на час-
тотах электронных (4#= 1,4 МГц, В«0,5Гс) и протонных (/^«800 Гц) цикло-
тронных ионосферных колебаний. Электронные циклотронные колебания были про-
модулированы протонными колебаниями [59].
Последствия инжекции плазмы в ионосферу достаточно долго сохраняются в ио-
носфере. Так, выполненные с помощью радиотелескопа, работающего на частоте
160 МГц, измерения обнаружили возмущения плазмы ионосферы от струи СПД
спустя более полутора часов после инжекции. Помимо упомянутых неустойчивостей,
в ионосферной плазме за счет инжекции струй ЭРД возбуждаются и другие ионо-
сферные неустойчивости и волны: альвеновские, электронные и ионные «свисты»,
ионные и электронные ленгмюровские колебания и ряд других.
Флуктуация потенциала КА
Работа ЭРД приводит к тому, что корпус КА приобретает некоторый потенциал, в
общем случае переменный относительно окружающего пространства. Наличие пере-
менного потенциала различных частот может оказать влияние на работу радио- и
электротехнических систем КА, изменяя структуру полей и плазмы в окрестности
аппарата.
656
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Изменение эффективной поверхности рассеяния КА
Генерация ЭРД искусственных плазменных образований изменяет радиолокаци-
онные характеристики КА. При работе СПД «Эол-1» радиолокационными методами
в метровом диапазоне длин волн было обнаружено увеличение примерно на порядок
эффективной поверхности отражения электромагнитных волн от КА «Метеор» по
направлению истечения плазменной струи. Этот факт подтверждает возможность
влияния ЭРД на надежность связи с КА по командной радиолинии [9].
2.3.6.4. Помехи по цепям питания
Дополнительные электромагнитные помехи работе бортовой аппаратуры КА мо-
гут возникать по цепям питания ЭРД. Поскольку ЭРД является нелинейной перемен-
ной нагрузкой с недетерминированными параметрами для цепи электропитания, то
их взаимодействия носят весьма сложный и нелинейный характер. При этом необхо-
димо иметь в виду следующее:
• с изменением частоты роль отдельных параметров цепи в формировании сум-
марного импеданса будет меняться;
• общий характер (вид) импеданса цепи (индуктивный, емкостной или реактив-
ный) имеет частотную зависимость;
• нелинейность, обусловленная ЭРД, может значительно расширить спектр коле-
баний в цепи, особенно если в разряде СПД есть резонансы колебаний, близкие
к резонансам цепи, включая и гармоники достаточно высоких порядков;
• при учете фазовых соотношений между напряжением и током СПД может вно-
сить в цепь динамическое отрицательное сопротивление и раскачивать колеба-
ния в сети.
По оценкам на низких частотах /<102Гц цепь СПД по характеру импеданса
близка к индуктивно-емкостной и резонирует на частотах /= 40-50 Гц. На более вы-
соких частотах цепь СПД носит резистивно-емкостной характер с частотами до
102 Гц. СПД и отдельные элементы образуют контуры с собственными частотами на
уровне 105 Гц [59].
Общий анализ показал, что из перечисленных выше факторов наиболее сущест-
венными для электромагнитной совместимости ЭРД с КА являются первые два, свя-
занные с электромагнитным излучением и прохождением радиоволн через струю
ЭРД.
Результаты исследований электромагнитной совместимости ЭРД с радиосистема-
ми позволяют дать ряд рекомендаций. Наиболее радикальным методом уменьшения
влияния ЭРД является переход на более высокие несущие частоты передачи радио-
сигналов, что может приводить к ослаблению механизмов поглощения электромаг-
нитных волн. Условия снижения помехового воздействия плазменных струй ЭРД на
передачу радиосигналов накладывают определенные ограничения на конструкцию
КА и режим его функционирования. В общем случае помех можно избежать, если
радиочастотное излучение проходит лишь через наименее плотную область струи
двигателя. Практически это касается взаимного расположения ЭРД и антенны на КА,
при котором угловое расстояние между осью струи и линией связи было достаточно
большим. Бортовые приемные антенны необходимо располагать относительно СПД в
пределах азимутальных углов 45-75°, а по углу места (вдоль потока плазмы) - в пре-
ГЛАВА 2.3
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА
657
делах 60-120°. Кроме того, исходя из требований минимальных искажений диаграмм
направленности, антенны необходимо располагать на расстоянии не менее рабочей
длины волны. Периметр струи должен быть меньше длины волны. Для надежной
связи с Землей необходимо размещать ЭРД на КА выше расположения радиоэлек-
тронных устройств и антенны по отношению к поверхности Земли. Уменьшить влия-
ние ЭРД также можно за счет применения радиоэлектронных устройств с повышен-
ной избирательностью, помехозащищенностью, использованием антенн с узкой диа-
граммой направленности. При разработке ЭРД необходимо учитывать возможность
снижения шумов до минимума за счет оптимизации рабочего процесса и конструк-
ции путем применения проводящих колец и экранов на срезе СПД, рациональной
установки катода-компенсатора, модуляции плазменных потоков, изменения расхода
рабочего тела.
ЛИТЕРАТУРА
1. Квасников Л.А., Латышев Л.А., Пономарев-Степной Н.Н., Севрук Д.Д., Тихонов В.Б. Теория и расчет
энергосиловых установок космических летательных аппаратов. М.: Изд-во МАИ, 2001.
2. Ходненко В.П. Исследование взаимодействия ЭРДУ с бортовыми системами ИСЗ типа «Метеор». Дис.
канд. техн. наук. М., 1976.
3. Kim V., Popov G., Tikhonov V. et al. Modem trends of electric propulsion activity. Proceedings of the 26th
International Electric Propulsion Conference, October 17-21, 1999, Kitakyushu (Japan), pp. 27-32.
4. Козубский K.H., Мурашко B.M., Рылов Ю.П. и др. СПД работают в космосе. Физика плазмы, 2003, т. 29,
№3,с. 1-17.
5. Арцимович Л.А. и др. Разработка стационарного плазменного двигателя и его испытания на ИСЗ «Ме-
теор». Космические исследования, 1974, т. 12, вып. 3, с. 451-468.
6. Gavryushin V.M., Kim V., Kozlov V.I., Maslennikov N.A. Physical and technical basses of the modem SPT
development. Proceedings of 24th IEPC, Moscow, 1995, IEPC 95-38, pp. 307-314.
7. Интернет-сайт ESA/Science and Technology/Smart-1 /Status report archive by May 19, 2005.
8. Curren F. Electric propulsion activity in U.S. Industry Proceedings of the 26th International Electric Propul-
sion Conference, October 17-21, Kitakuschu, Japan, IEPC-99-001.
9. Ходненко В.П. ЭРДУ в системах управления космическими аппаратами геофизического наблюдения.
Дисс. докт. техн. наук. М., 1995.
10. Nishida N., Tahara Н. An overview of electric propulsion activities in Japan. Proceedings of the 26th Interna-
tional Electric Propulsion Conference, October 17-21, 1999, Kitakyushu (Japan), pp. 41-55.
11. Saccoccia G. European activities in electric propulsion. Proceedings of the 3rd International Spacecraft Pro-
pulsion, October 10-13, 2000, Cannes, France, pp. 49-64.
12. Bugrova A.I., Kim V., Maslennikov N. A., Morozov A.I. Physical processes and characteristics of stationary
plasma thrusters with closed electrons drift. Proc, of the 22nd IEPC, Viareggio, Italy, 1991, IEPC-91-079.
13. Saccoccia G. Introduction to the European activities in electric propulsion. Proceedings of the 28th Interna-
tional Electric Propulsion Conference, March 17-21,2003, Toulouse, France, IEPC-03-341.
14. Bober A., Kim V., Koroteyev A. et al. State of works on electrical thrusters in USSR. Proceedings of the 22nd
International Electric Propulsion Conference, October 14-17, 1991, Viareggio, Italy, IEPC-91-004.
15. Edwards C.H., Wallace N.C., Tato C., Van Put P. The T5 ion propulsion assembly for drag compensation on
GOCE.
16. Popov G., Antropov N., Dyakonov G., Orlov M., Tyutin V., Yakovlev V. Experimental study of plasma pa-
rameters in high-efficiency pulsed plasma thrusters. Proceedings of the 27th International Electric Propulsion
Conference, Pasadena, USA, 2001, IEPC-01-163.
17. Kazeev M.N., Popov G.A., Antropov N.N., Diakonov G.A., Orlov M.M., Posokhin V.S., Tyutin V.K., Yakov-
lev V.N. Dynamics and distribution of electron density in the channel of pulsed plasma thruster. Proc, of the 38th
AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, AIAA 2002-2054, Indianapolis, USA, 2002.
18. Absalamov S.K. et al. Measurement of plasma parameters in the stationary plasma thruster (SPT-100) plume
and its effects on spacecraft components. Proceedings of the 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit,
July 6-8, 1992, Nashive, TN, AIAA-92-3156.
658
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
19. Pollard J.E. Plume angular, energy, and mass spectral measurements with the T5 ion engine. AIAA-95-2920,
Joint Propulsion Conference and Exhibit, July 10-12, 1995, San Diego, CA.
20. Randolph T., Pencil E., Manzella D. Far-field plume contamination and sputtering of the stationary plasma
thruster. 30th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, June 27-29, 1994, Indianapolis, IN.
21. Roy S.R.I., Hastings D.E., Gastons N.A. Ion-thruster plume modeling for backflow contamination. Journal of
Spacecraft and Rocket, 1996, v. 33, No 4.
22. King L.D., Gallimore A.D. Ionic and neutral particle transport property measurements in the plume of an
SPT-100. AIAA 96-2712, 32nd Joint Propulsion Conference, July 1-3, 1996, Lake Buena Vista, FL, USA.
23. Maslennikov N.A. Lifetime of the stationary plasma thruster. Proceedings of Spacecraft Propulsion Interna-
tional Conference, Diagora, Toulouse Labege, France, 8-10 Nov. 1994.
24. Арбатский B.M., Егоров B.K., Надирадзе А.Б., Чиров А.А., Шапошников В.В. Изучение углового рас-
пределения примесного элементного состава в струе электрореактивного двигателя методами с ис-
пользованием ионных пучков. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследова-
ния, 2000, №5, с. 102-110.
25. Khartov S.A., Nadiradze А.В., Zikeeva Y.V. Angular distribution of ceramic isolator sputtered material in the
SPT jet. 28th International Electric Propulsion Conference, IEPC-2003, March, 17-21, Toulouse, France.
CDROM, Published by CNRS, March, 2003, 5 p.
26. Бугрова А.И., Ермоленко В. А., Нискин B.T., Соколов А.С. Спектральные характеристики излучения
плазмы УЗДП-ТВТ, т. 19, № 2, 1981, с. 428-430.
27. Bugrova A.I., Morozov A.I., Lipatov A.S. et al. Integral and spectral characteristics of ATON stationary
plasma thruster operating on Krypton and Xenon. Proceedings of the 28th International Electric Propulsion
Conference, March 17-21, Toulouse, France, IEPC-03-366.
28. Perrin V., Metois P., Khartov S., Nadiradze A. Simulation tools for the plasma propulsion and satellite envi-
ronment. 52nd International Astronautical Congress Toulouse, France, October 1-5, 2001.
29. Плешивцев H.B., Бажин А.И. Физика воздействия ионных пучков на материалы. М.: Вузовская книга,
1998.
30. Проблемы прикладной физики. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Физическое распыле-
ние одноэлементных твердых тел. Под ред. Бериша Р. Пер. с англ, под ред. Молчанова В.А. М.: Мир, 1984.
31. Арбатский В.М., Надирадзе А.Б., Шапошников В.В. Эрозия каптона в струе стационарного плазмен-
ного двигателя. Сб. тез. докл. XIV Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверх-
ностью-99», 30.08 - 3.09.1999, Звенигород, Моск, обл., 1999, с. 267-270.
32. Надирадзе А.Б., Паршина Е.Б. Интерполяционная модель изменения оптических характеристик функ-
циональных поверхностей космических аппаратов при их загрязнении компонентами собственной внеш-
ней атмосферы. IV Международная конференция-выставка «Малые спутники, новые технологии, миниа-
тюризация, области эффективного применения», Королев Моск, обл., 31.05-04.06.2004, т. 3, с. 318-330.
33. Надирадзе А.Б. Прогнозирование воздействия струй электроракетных двигателей на элементы и систе-
мы космических летательных аппаратов. Дисс. докт. техн. наук. М., 2003, 314 с.
34. Khartov S.A., Nadiradze А.В, Zikeeva У. Spacecraft contamination by sputtered products of the SPT ceramic
isolator. Proc. 3rd International Conference on Spacecraft Propulsion. Cannes, 10-13 Oct. 2000, ESA SP-465,
Dec. 2000.
35. Khodnenko V.P. Integration of electro-thermal engine with ELECTRO spacecraft. 24th International Electric
Propulsion Conference, Moscow, 1995, IEPC-95-152.
36. Шувалов В.А. Моделирование взаимодействия тела с ионосферой. Киев: Наукова думка, 1995.
37. Баранцев Р.Г. Взаимодействие разреженных газов с обтекаемыми поверхностями. М.: Наука, 1975.
38. Arkhipov В., Korykin A., Lysykov Yu., Nesterenko A. Dynamic action of hall thruster jet on spacecraft solar ar-
rays. Proc. 3rd International Conf, on Spacecraft Propulsion, 10-13 Oct., 2000, Cannes, France, pp. 635-638.
39. Bechu S., Lasgorceix P., Hauser H., Gascon N., d’Halewyn S., Berthou C., Borie D. Experimental study of dis-
turbance forces induced by a SPT100 plasma jet. Workshop «Plume Effects in Plasma Propulsion», Toulouse,
30.09-1.10.1999.
40. Cheoux-damas P., Stephan J.M., Castejon S., Romashko A., Perusevich V.F., Volkov D. Validation of an ion
thruster plume impingement software by in-flight measurement. Proc. Second European Spacecraft Propul-
sion Conference, 27-29 May, 1997, ESA SP-398, Aug. 1997.
41. Rylov Y.P. Khodnenko V.P. at all. Change in the spacecraft environment with on electric thruster in opera-
tion. Proc. Second European Spacecraft Propulsion Conference, Noordwijk, the Netherlands, 1997, pp. 523-527.
ГЛАВА 2.3 ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА КА 659
42. Заявлин В.Р., Жезлов А.В., Летин В.А. Прогнозирование ресурса фотоэлектрических батарей космиче-
ских аппаратов. Гелиотехника, 2001, № 3, с. 11-22.
43. Морозов А.И., Трифонов Ю.В., Ходненко В.П. и др. Основные результаты космических испытаний
ЭРДУ с СПД («Эол-2») на ИСЗ «Метеор-Природа» Тез. докл. IV Всесоюз. конф, по плазменным уско-
рителям и ионным инжекторам. М., 1978, с. 317-321.
44. Popov G., Kim V. et al. Electric propulsion subsystem development and application in Russia. Proc. 3rd Inter-
national Conference on Spacecraft Propulsion, Cannes, 10-13 Oct., 2000, ESA SP-465, Dec. 2000, pp. 21-26.
45. Асхабов C.H., Козлов А.И., Ходненко В.П. и др. Исследование воздействия струи и теплового излуче-
ния ЭРД на солнечные батареи космического аппарата. Космические исследования 1988, т. 26, №5,
с. 796-798.
46. Чиров А.А., Бургасов М.П., Заявлин В.Р., Летин В.А. Влияние струй плазмы электроракетных двигате-
лей на энергетические характеристики солнечных батарей. Космические исследования, 1997, т. 35,
№3, с. 331-333.
47. Чиров А.А., Арбатский В.М. Влияние потоков плазмы электроракетного двигателя на прозрачность
защитных стекол солнечных батарей. Материалы 15-й Международной конференции «Взаимодействие
ионов с поверхностью-2001» (ВИП-2001), 27-31 авг. 2001 г., Звенигород. М.: МАИ, 2001, т. 2, с. 399-402.
48. Надирадзе А.Б. Методы прогнозирования воздействия струй ЭРД на малые космические аппараты. Сб.
тр. конференции-выставки «Малые космические аппараты». Королев Моск, обл., июнь 2000, с. 152-157.
49. Гаврюшин А.В., Надирадзе А.Б. Эрозионная модель влияния ионной бомбардировки на прозрачность
кварцевого стекла. Поверхность, Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2003,
№ 8, с. 54-62.
50. Шкарбан И.И., Семенов А.А. Распыление потоками ионов поверхностей элементов конструкций ион-
но-плазменных источников. Ракетно-космическая техника, научно-технический сборник, вып. 3(131).
Ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП, 1991, с. 42-53.
51. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.
52. Гаврюшин А.В., Надирадзе А.Б. Модель перехода состояний для описания изменения физических
свойств материалов при ионной бомбардировке. Материалы 15 Международной конференции Взаимо-
действие ионов с поверхностью (ВИП-2001), 27-31 авг. 2001 г., Звенигород. М.: МАИ, 2001, т. 2, с. 123-125.
53. Snyder D.B., Tyree Е. The effect of plasma on solar cell array characteristics. AIAA Paper 85-0384, 1985.
54. Grier H.T., Smith C., Johnson L. Plasma interaction with solar arrays at high voltages. Spacecraft Charging
Technology, 1980, pp. 922-930.
55. Grebnev I.A., Ivanov G.V., Khodnenko V.P. at al. The study of a plasma jet injection by an on-board plasma
thruster. Adv. Space Res., 1981, v. 1, pp. 153-158.
56. Rashad A.R.M. Effect of ion engine exhaust on the propagation of electromagnetic waves. AIAA Journal
1965, No 8, pp. 781-787.
57. Khodnenko V.P., Shishkin G.G., Trifonov Yu.V. Analysis of the H.F. drift instability onboard «Meteor»
satellite. Journal de physique, Colloque C7, suppl. au No 7, t. 40, pp. 717-718.
58. Kirdyashev K.P. Electromagnetic environment produced by electric propulsion engines. 2nd German-Russian
Conference of Electric propulsion engines and their technical application. Summaries of the Papers. Moscow
(Russia), 1993, p. 106.
59. Shishkin G.G. Electrodynamical Processes and Interactions in formations, streams, power systems and envi-
ronment. 2nd German-Russian Conference of Electric propulsion engines and their technical application.
Summaries of the Papers. Moscow (Russia), 1993, p. 111.
60. Shishkin G.G., Plokhikh A.P. Analysis of electromagnetic emission of plasma injectors. Proceedings of the
XIII Internal. Conf, on Gas Disharges and their Appl., Glasgow 2000, v. 2, pp. 597-600.
61. Caveny L.H., Curran F., Brophy J.R. Russian electric propulsion evaluated for use on American small satel-
lites. German-Russian Conference of Electric propulsion engines and their technical application. Summaries
of the Papers. Moscow (Russia), 1993, p. 134.
62. Shishkin G.G. Radiation caused by the HF drift instability in the E-H discharge. Proceedings of IV Internal.
Conf, on Gas Disharges, 1976, Swansea, UK. IEE publ., No 143.
63. Vicent F.A., Taylor E.C., Phelps R.W. Analysis of flame effects on measured electromagnetic propagation
data. Journal of Spacecraft and Rockets. 1967, v. 4, No 8, pp. 1069-1075.
64. Kerslake W.R. SERT. Thrusters: still ticking aster eleven years. AIAA Paper, 1981, No 539, pp. 1-11.
65. Ijichi K., Yoshida T., Kudo I. Radiated emission noise of the plasma. AIAA Paper, 1982, No 1883, pp. 1-8.
ГЛАВА 2.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ
Зродников А.В.1, Забудько А.Н.1, Ионкин В.И.1, Овчаренко М.К.1, Пышко А.П.1,
Ярыгин В.И.1; Пустовалов А.А.2
1ГНЦРФ-ФЭИ им. А.И, Лейпунского
2 НПП «Биаиос»
Список сокращений
РИТЭГ радиоизотопный термоэлектриче- ский генератор ТВС ТРП тепловыделяющая сборка термоэмиссионный реактор-преобразо-
РП РЭУ реактор-преобразователь радионуклидная энергетическая ТЭГ ватель термоэлектрический генератор
СЭС установка система энергоснабжения ТЭМ ЯРД транспортно-энергетический модуль ядерный ракетный двигатель
ТБ тепловой блок ЯЭУ ядерная энергетическая установка
ВВЕДЕНИЕ
Космонавтика, как и другие области человеческой деятельности, характеризуется
постоянным возрастанием уровня энергетического обеспечения. Потребляемая мощ-
ность на серийных геостационарных спутниках связи уже превысила 10 кВт. Сум-
марная мощность системы энергоснабжения (СЭС) орбитальной станции «Мир» со-
ставляла 16 кВт. В конце 2000 г. мощность СЭС Международной космической стан-
ции достигла 65 кВт, и планируется ее дальнейшее увеличение.
ГЛАВА 2.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК...
661
Приведенные примеры относятся к СЭС, в которых генераторами являются сол-
нечные батареи. Вместе с тем, солнечные батареи имеют ряд существенных недос-
татков. Для их эффективной работы должна постоянно осуществляться с помощью
специальных систем ориентация батарей на Солнце. Обеспечение энергопитания на
участках полета космического аппарата (КА) в тени Земли требует включения в со-
став СЭС накопителей энергии, для зарядки которых необходимо увеличение мощ-
ности батарей. Из-за воздействия факторов космического пространства в настоящее
время довольно велика скорость деградации их энергетических параметров. Эффек-
тивность солнечных батарей снижается до неприемлемого уровня при удалении от
Солнца на расстояние свыше 5 а. е., что исключает возможность использования сол-
нечной энергетики на КА для полетов к Юпитеру и находящимся за ним планетам
Солнечной системы.
По прогнозам космической деятельности в XXI веке, одна из ведущих ролей в об-
ласти энергодвигательного обеспечения перспективных космических средств отво-
дится, наряду с солнечной, ядерной энергетике. Достоинством ядерных энергетиче-
ских установок (ЯЭУ) является их практическая независимость от освещенности
Солнцем и высокая стойкость к воздействию окружающей среды.
На КА используются ЯЭУ двух типов:
• с источниками энергии на радиоактивных изотопах - радионуклидные термо-
электрические генераторы (РИТЭГ);
• с ядерными реакторами.
Начало работ по созданию ЯЭУ для космоса относится к середине 1950-х гг. В
США эти работы проводились в рамках программы SNAP (System for Nuclear Auxil-
iary Power), а в СССР - по программе «Орион», а в дальнейшем по программам
«Бук» и «Топаз» [1-3].
К концу 1950-х гг. в США были созданы действующие образцы РИТЭГ наземного
применения с использованием радионуклидов Ро-210, подтвердившие возможности
достижения расчетных характеристик РИТЭГ для использования в космосе. Первый
РИТЭГ на Ри-238 (SNAP-ЗВ) был выведен на околоземную орбиту 29 июня 1961 г. в
составе военного навигационного спутника США «Transit-4А» [4]. Его электрическая
мощность составляла 2,7 Вт, а масса 2,1 кг. К концу 1960-х гг. в США был создан ряд
модернизированных РИТЭГ серии SNAP с большой степенью унификации. С их по-
мощью был выполнен ряд космических программ по исследованию планет Солнеч-
ной системы. В США была создана, по-видимому, единственная действующая реак-
торная ЯЭУ электрической мощностью 0,58 кВт (SNAP-10A), которая была запущена
в космос в апреле 1965 г. и проработала 111 мин.
В СССР стратегия использования ЯЭУ в космосе была ориентирована, главным
образом, на реакторные ЯЭУ с прямым (термоэлектрическим или термоэмиссион-
ным) преобразованием тепловой энергии в электрическую [1,2]. Первой ЯЭУ на базе
ядерного реактора на быстрых нейтронах с термоэлектрическим преобразователем
была ЯЭУ «Ромашка», реализованная в виде наземного образца [5].
В середине 1960-х гг. была создана космическая термоэлектрическая ЯЭУ «Бук»
электрической мощностью 3 кВт, которая эксплуатировалась на низких околоземных
орбитах. С 1970 по 1988 гг. был произведен 31 запуск ИСЗ серии «Космос» с такими
662
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
ЯЭУ, которые получили в международной терминологии название RORSAT «Кос-
мос» (см. подробнее гл. 3.7).
Помимо этого, с 1960 г. в СССР велись работы по созданию ЯЭУ с термоэмисси-
онным преобразованием электрической мощностью 6,0 кВт, получивших название
«Топаз». Космические испытания ЯЭУ «Топаз» были проведены в 1987-1988 гг. в
составе КА «Космос-1818» и «Космос-1867» [1].
По результатам исследований, нашедших отражение в Концепции развития кос-
мической ядерной энергетики в России [6], наиболее эффективной и, видимо, наи-
более вероятной первоочередной областью применения реакторных ЯЭУ в около-
земном космосе явится энергодвигательное обеспечение КА, функционирующих на
геостационарной, геосинхронной и других энергоемких орбитах при большом энер-
гопотреблении целевой аппаратуры.
Околоземные КА с ЯЭУ при постоянном уровне энергопотребления фактически
не нуждаются в накопителях энергии. Возможность регулирования режима работы
ЯЭУ снимает необходимость в накопителе для ряда случаев пиковой нагрузки КА.
Компактность конструкции ЯЭУ значительно облегчает эксплуатацию КА и упроща-
ет систему ориентации для задач, требующих высокой точности наведения целевой
аппаратуры. Для ЯЭУ характерно существенное снижение удельной массы установки
при возрастании ее мощности. Исследования показали, что применительно к орби-
тальным КА преимущество СЭС на базе ЯЭУ по энергомассовым характеристикам
над традиционными СЭС на основе солнечных батарей начинает проявляться с уров-
ня электрической мощности около 50 кВт.
Поскольку, как уже указывалось, на начальном этапе разработки космических
ЯЭУ приоритет в нашей стране был отдан реакторным установкам, было осуществ-
лено сравнительно небольшое число запусков отечественных КА с РИТЭГ на борту.
В 1965 г. были запущены ИСЗ «Космос-84» и «Космос-90» с РИТЭГ на Ро-210
(«Орион-1» и «Орион-2»). Созданы также радионуклидные тепловые блоки (ТБ) на
Ро-210 тепловой мощностью 800 Вт, которые использовались для обогрева «Лунохо-
да-1» и «Лунохода-2» (1969, 1971). В 1996 г. в составе малых автономных станций
(МАС) КА «Марс-96» использовались разработанные в России РИТЭГ и радионук-
лидные ТБ на Ри-238, получившие наименование «Ангел» [7, 8].
В существующих проектах исследования дальнего космоса и планет Солнечной
системы в XXI веке приоритет отдается РИТЭГ как самым надежным и долговечным
источникам энергии для работы в глубоком космосе, где использование солнечных
батарей неэффективно.
2.4.1. Опыт создания и достижения в области космических ЯЭУ с прямым
преобразованием энергии
Как уже указывалось, разработки ЯЭУ для КА, в том числе с непосредственным
преобразованием тепловой энергии ядерного деления в электрическую энергию, бы-
ли начаты в 1950-х гг. [1], а первой отечественной ЯЭУ с прямым (термоэлектриче-
ским) преобразованием тепла ядерного деления в электрическую энергию была
ЯЭУ «Ромашка» [5]. ЯЭУ «Ромашка», как первая подобная установка в мире, была
ГЛАВА 2.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК...
663
выведена на электрическую мощность в августе 1964 г. и успешно проработала около
15 000 ч, выработав около 6 100 кВт-ч электрической энергии [9].
В 1960-х гг. в СССР была создана космическая термоэлектрическая ЯЭУ «Бук»
электрической мощностью около 3 кВт, которая после завершения отработки в нача-
ле 1970-х гг. эксплуатировалась на низких околоземных орбитах [10].
В тот же период в СССР проводилась целенаправленная разработка космических
термоэмиссионных ЯЭУ. В 1970 г. впервые в мире успешно прошел энергетические
испытания наземный прототип термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП)
для ЯЭУ «Топаз» [11]. Последующие испытания прототипов ТРП и наземных образ-
цов ЯЭУ «Топаз» в 1970-1980-х гг. позволили приступить к непосредственному соз-
данию летных образцов. Летные испытания двух образцов ЯЭУ «Топаз» были прове-
дены впервые в мире в 1987-1988 гг. в составе КА «Плазма-А» («Космос-1818» и
«Космос-1867») [12]. Программа летных испытаний была полностью выполнена на
обоих образцах [13].
Наряду с ЯЭУ «Топаз», начиная со второй половины 1960-х гг. проводилась раз-
работка термоэмиссионной ЯЭУ «Енисей» (за рубежом имеет также наименование
«Топаз-2»), энергетические и массогабаритные параметры которой были близки к
ЯЭУ «Топаз» [14].
На основе опыта создания ЯЭУ первого поколения - «Бук», «Топаз», «Енисей» -
с середины 1980-х гг. в России проводятся проектные разработки по созданию тер-
моэмиссионных ЯЭУ второго поколения (ЯЭУ-25, ЯЭУ-50 (Space Star), ЯЭУ-100),
параметры которых соответствуют более высоким требованиям по электрической
мощности и ресурсу, предъявляемым к бортовым энергетическим установкам совре-
менными задачами исследования и освоения космического пространства [15].
ЯЭУ «Ромашка»
Основным агрегатом ЯЭУ «Ромашка» [5,9] является реактор-преобразователь
(РП) на основе высокотемпературного ядерного реактора на быстрых нейтронах, в
котором тепло, генерируемое в активной зоне (а. з.), передается теплопроводностью
к термоэлектрическому генератору (ТЭГ), расположенному на внешней поверхности
радиального отражателя. А. з. по высоте набирается из 11 тепловыделяющих эле-
ментов (твэлов), выполненных в форме диска из дикарбида урана с обогащением
90% по U-235. Каждый твэл, разделенный на несколько сегментов, помещается в
графитовую кассету, через которую проходит значительная часть потока тепла,
выделяемого а. з., что уменьшает температурный перепад на дикарбиде урана. А. з.
окружена радиальным отражателем из бериллия. Торцевые отражатели выполнены
также из бериллия.
Конструкция реактора и применяемые материалы обеспечивают его работоспо-
собность при температуре до 2 173 К в центральной части а. з. и 1 273-1 373 К на на-
ружной поверхности отражателя.
Система регулирования реактора состоит из четырех стержней, располагаемых в
радиальном отражателе, и нижнего торцевого отражателя. Два стержня используются
для автоматического и ручного регулирования, а два - совместно с торцевым отража-
телем - для аварийной защиты.
Основные параметры РП ЯЭУ «Ромашка» представлены в табл. 2.4.1.
664
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Параметры РП ЯЭУ «Ромашка» Таблица 2.4.1
Параметр Значение
Электрическая мощность в начале ресурса, Вт 460-475
Коэффициент снижения электрической мощности за 15 000 ч 0,80
Рабочее напряжение, В 21
Эффективная тепловая мощность, кВт 28,2
Загрузка делящегося вещества по U-235, кг 49
Максимальная температура, К 2173
Суммарный вес, кг 635
Наружный диаметр/высота радиального отражателя, мм 483/553
ЯЭУ «Бук»
Компоновочная схема ЯЭУ «Бук» представлена на рис. 2.4.1.
ЯЭУ «Бук» включает последовательно расположенные вдоль его оси реактор, ра-
диационную защиту и ХИ коническо-цилиндрического типа в виде системы ореб-
ренных трубок для протока теплоносителя, объединенных входным и выходным кол-
лекторами. ХИ располагается на силовой рамной конструкции, стыкуемой с конст-
рукциями КА.
В ЯЭУ «Бук» используется малогабаритный реактор на быстрых нейтронах, а. з.
которого содержит 37 стержневых твэлов. В качестве топлива используется высоко-
обогащенный уран-молибденовый сплав. Загрузка U-235 составляет около 30 кг. В
боковом отражателе из бериллия размещаются продольно перемещаемые стержни
регулирования. Применяется двухконтурная жидкометаллическая система теплоот-
вода (теплоноситель - эвтектический сплав натрия и калия). Теплоноситель первого
контура нагревается в реакторе до температуры около 973 К и подается в ТЭГ,
Рис. 2.4.1. Компоновочная схема ЯЭУ «Бук»: 1 - реактор;
2 - трубопровод жидкометаллического контура (ЖМК);
3 - радиационная защита (Р3); 4 - компенсационный бак ЖМК;
5 - холодильник-излучатель (ХИ); 6 - ТЭГ;
7 - силовая рамная конструкция
ГЛАВА 2.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК...
665
имеющий внешний цилиндрический корпус. ТЭГ располагается под ХИ за РЗ. Внут-
ренние полости ТЭГ герметичны и заполнены инертным газом. Теплоноситель вто-
рого контура отводит непреобразованное тепло в ХИ при максимальной температуре
теплоносителя на входе в ХИ на уровне 623 К.
Тепловая мощность реактора ограничена величиной около 100 кВт, а максималь-
ная электрическая мощность ЯЭУ составляет около 3 кВт. Ресурс ЯЭУ «Бук» в про-
цессе ее эксплуатации был доведен до 4 400 ч.
Радиационная безопасность ЯЭУ «Бук» обеспечивается двумя системами, осно-
ванными на разных принципах работы [16]. Основной системой является входящая в
состав КА система увода ЯЭУ на орбиту длительного захоронения, близкую к круго-
вой с высотой более 850 км, время существования уведенного объекта на которой
вполне достаточно для распада продуктов деления до уровня естественной радиоак-
тивности. Система увода расположена в отсеке КА, механически непосредственно
стыкуемом с ЯЭУ и отделяемом от приборного отсека КА на низкой орбите эксплуа-
тации. В состав системы увода входит автономная двигательная установка с систе-
мами управления и автономным источником электрической энергии.
Вторая, дублирующая система основана на аэродинамическом диспергировании
топливной композиции с продуктами деления и других материалов с наведенной ак-
тивностью в верхних слоях атмосферы Земли в случаях отказа основной системы.
Эта система основана на выбросе сборки твэл из а. з., осуществляемом либо на орби-
те эксплуатации, либо при входе объекта в плотные слои атмосферы. При спуске
сборки в атмосфере за счет процессов аэродинамического нагрева, термического раз-
рушения, плавления, испарения, окисления и др. обеспечивается диспергирование
топлива до частиц, осаждение которых на поверхность Земли не приводит к превы-
шению допустимых радиологических воздействий на население и окружающую сре-
ду. В состав дублирующей системы входят управляющие устройства и исполнитель-
ный механизм, основанный на деформации и последующем разрушении специально
предусмотренных гибких элементов под действием давления газов порохового акку-
мулятора давления. Дублирующая система безопасности была введена в состав
ЯЭУ «Бук» в процессе ее эксплуатации после отказа системы увода КА «Кос-
мос-954», приведшего к выпадению радиоактивных фрагментов конструкции, раз-
рушенных при спуске в атмосфере, в северных районах Канады в 1978 г.
Масса ЯЭУ «Бук» составляет около 900 кг, удельная электрическая мощность
ЯЭУ - около 2,5 Вт-кг"1, что примерно в два раза меньше, чем для термоэмиссион-
ных ЯЭУ «Топаз» при таком же ресурсе работы.
ЯЭУ «Топаз»
Конструкция ЯЭУ «Топаз» показана на рис. 2.4.2.
А. з. ТРП включает 79 термоэмиссионных электрогенерирующих каналов (ЭГК) и
четыре диска замедлителя из гидрида циркония. ЭГК вместе с каналами охлаждения
располагаются в отверстиях дисков замедлителя, образуя систему из пяти концен-
трических поясов [17]. Применяются 5-элементныс ЭГК с 3-слойным коллекторным
пакетом и выводом газообразных продуктов из негерметичных эмиттерных узлов в
межэлектродный зазор (МЭЗ). Диаметр эмиттерного узла и его внешней оболочки
666
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.4.2. Конструктивно-компоновочная схема ЯЭУ «Топаз»:
1 - блок системы подачи пара цезия и приводов органов
регулирования; 2 - ТРП; 3 - трубопровод ЖМК; 4 - РЗ;
5 - компенсационный бак ЖМК; 6 - ХИ; 7 - рамная конструкция
составляет соответственно 10 и 14,6 мм. ЭГК электрически соединяются в рабочую
(62 ЭГК) и насосную (17 ЭГК) секции. Последняя предназначена для питания элек-
тромагнитного насоса системы теплоотвода ЯЭУ. В ЯЭУ «Топаз» применена система
подачи пара цезия, обеспечивающая прокачку пара через МЭЗ ЭГК с расходом по-
рядка 10 г-сут”1 [18].
Функции регулирования тепловой мощности, компенсации реактивности и ава-
рийной защиты выполняют расположенные в боковом отражателе 12 поворотных
цилиндров из бериллия с секторными накладками из карбида бора, разбитые на че-
тыре группы по три цилиндра. Каждая группа управляется своим приводом.
Система автоматического управления обеспечивает вывод ЯЭУ на тепловую и
электрическую мощность, поддержание заданного тока рабочей секции или заданной
температуры теплоносителя, напряжения около 28 В на шинах питания бортовой ап-
паратуры КА, выключение ТРП по сигналам из системы управления КА [19].
Электрическая мощность, вырабатываемая ЯЭУ, составляет около 6 кВт при
КПД преобразования в начале ресурса —5,5%. Масса ЯЭУ «Топаз» —1200 кг, задан-
ный ресурс работы - 4400 ч, габариты ЯЭУ: длина - 4,7 м, максимальный диаметр -
1,3 м.
В ЯЭУ «Топаз» применена однокомпонентная радиационная защита из гидрида
лития, заключенного в герметичный стальной контейнер с внутренними силовыми
элементами. Радиационная безопасность при проведении летных испытаний ЯЭУ «То-
паз» обеспечивалась выводом на достаточно высокую круговую рабочую орбиту с
высотой более 800 км, время баллистического существования на которой составляло
не менее 350 лет, что достаточно для распада продуктов деления до безопасного
уровня. При выведении КА органы регулирования ТРП блокировались в положении
максимальной подкритичности. Блокировка снималась перед пуском ЯЭУ по радио-
команде с Земли после непосредственного измерения параметров орбиты.
При летных испытаниях ЯЭУ «Топаз» в составе одного КА проработала в течение
142 суток, а в составе другого - в течение 342 суток. Окончание работы обоих лет-
ных образцов ЯЭУ было связано с плановым исчерпанием запасов цезия в генераторе
пара цезия. Результаты летных испытаний подтвердили соответствие выходных па-
раметров ЯЭУ и характера протекания основных процессов в наземных и летных
условиях, устойчивую работу ТРП и обслуживающих его систем при действии фак-
торов космического полета [12, 13, 20].
ГЛАВА 2.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК...
667
ЯЭУ «Енисей»
ЯЭУ «Топаз» и «Енисей» имели близкий состав и подобные конструктивно-ком-
поновочные схемы [14, 21-23]. Принципиальным отличием этих ЯЭУ является то,
что в ТРП ЯЭУ «Енисей» использовались одноэлементные ЭГК с внешним диамет-
ром эмиттерного узла 19,6 мм и внешним диаметром коллекторного пакета, состоя-
щего из собственно коллектора и нанесенного на него слоя изоляции из оксида алю-
миния, 23,7 мм. В качестве материала эмиттера использовался монокристаллический
молибденовый сплав с монокристаллическим вольфрамовым покрытием, а в качестве
материала коллектора - поликристаллический сплав молибдена. Эмиттерные узлы
имели центральное отверстие, через которое газообразные продукты деления удаля-
лись в космическое пространство. ЭГК размещались в трубках активной зоны ТРП с
небольшим зазором, заполненным гелием. В а. з. в отверстиях дисков гидридцирко-
ниевого замедлителя располагались 37 ЭГК с кольцевыми каналами охлаждения.
Рабочая секция состояла из 34 ЭГК, а насосная - из трех ЭГК. Коммутация ЭГК в
секции осуществлялась с обоих торцов ТРП в атмосфере гелия. Электрическая мощ-
ность на клеммах рабочей секции могла изменяться в пределах 4,5-5,5 кВт при на-
пряжении около 30 В.
Важным отличием ЯЭУ «Енисей» было применение в ней системы поддержания
низкой водородопроницаемости защитных покрытий на поверхности дисков замед-
лителя за счет постоянной подпитки гидридной полости ТРП углекислым газом. Как
показали результаты испытаний, применение этой системы позволило ограничить
давление водорода в МЭЗ ЭГК существенно более низкими значениями, чем в ТРП
ЯЭУ «Топаз».
Проектное значение массы ЯЭУ «Енисей» - 1 000 кг, ресурс работы - 1,5 года, га-
бариты ЯЭУ: длина - 3,9 м, максимальный диаметр - 1,4 м.
ЯЭУ «Енисей» прошла полный цикл наземной отработки: автономные испытания
узлов и систем, механические и теплофизические испытания полноразмерных маке-
тов, включая отработку ряда технологических операций предстартовой подготовки,
ядерные энергетические испытания прототипов ЯЭУ [24-27]. При отработке широко
использовалась возможность замены в одноэлементных ЭГК ядерного топлива элект-
рическими нагревателями, что позволяло имитировать все основные режимы работы
ЯЭУ на макетах без ядерного топлива. Летные испытания ЯЭУ «Енисей» не прово-
дились.
2.4.2. Ядерные ракетные двигатели
Одним из перспективных направлений в ракетной технике является создание ра-
кеты с ядерным двигателем. В таком двигателе можно достичь удельного импульса в
2-2,5 раза больше, чем у двигателей на химических топливах. Для обеспечения тако-
го уровня удельного импульса и необходимых массогабаритных характеристик водо-
род должен нагреваться в реакторе двигателя до среднемассовой температуры
3 000 К. Удельное энерговыделение в активной зоне реактора должно составлять
30 кВт-см"3.
668
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
В российских разработках принята гетерогенная схема реактора, в которой мате-
риал замедлителя нейтронов расположен отдельно от твэлов, содержащих уран. Твэ-
лы при этом окружены тепловой изоляцией и заключены в металлический корпус,
формирующий законченный, самостоятельный узел реактора - тепловыделяющую
сборку (ТВС). Ориентация на гетерогенный реактор и поэлементную отработку его
узлов составляла фундаментальное различие программ создания ядерных ракетных
двигателей (ЯРД) в СССР и США, и это различие оказалось, как было позднее призна-
но, в том числе и американскими специалистами, в пользу советской программы.
ТВС - основной узел двигательного реактора гетерогенной схемы. В сборке про-
исходит нагрев рабочего тела до температур, обеспечивающих реализацию необхо-
димого удельного импульса двигателя.
Характерная конструкция ТВС включает: силовой охлаждаемый корпус, который
может заканчиваться соплом; собственно активную зону ТВС; высокотемпературную
теплоизоляцию; опорный узел; входной узел, который обеспечивает равномерный по
сечению подвод рабочего тела к сборке и может содержать устройство температур-
ной компенсации, элементы торцевого отражателя и защиты.
В основу концепции ЯРД положены достижения российской технологии в облас-
ти разработки высокотемпературного ядерного топлива, твэлов, ТВС и других эле-
ментов конструкции космических энергетических установок и ядерных двигателей
[28]. Ее сущность составляют ядерный реактор с гетерогенной активной зоной, кото-
рая включает индивидуальные ТВС с твэлами на основе твердых растворов карбидов
урана, циркония и ниобия, размещенных в массиве замедлителя из гидрида цирко-
ния, окруженного, в свою очередь, бериллиевым отражателем; теневая радиационная
защита из гидридобразующих материалов; водородный цикл с созданием тяги.
Создание ТВС активных зон таких ЯРД было обеспечено топливными компози-
циями, обладающими:
• высокой плотностью урана в единице объема;
• высоким сопротивлением радиационному распуханию;
• высокой коррозионной стойкостью к рабочему телу;
• максимально допустимой температурой нагрева рабочего тела;
• максимальным числом циклов нагрева-охлаждения;
• свойствами обеспечения пассивной безопасности.
Наиболее приемлемыми топливными композициями, удовлетворяющими данным
требованиям, являются твердые растворы карбидов (UC-ZrC, -NbC, -ТаС), обеспе-
чивающие максимально возможную температуру нагрева рабочего тела ЯРД - водо-
рода до 3 700 К при плотности содержания урана ~2 г-см"3.
Параметры ЯРД были впервые экспериментально проверены при испытаниях мо-
дельных ТВС в реакторе ИГР [29], а затем ТВС и блоки активной зоны испытывались
в реакторе ИВГ-1 [30]. Создание в 1961 г. реактора ИГР впервые открыло возмож-
ность исследований материалов и параметров рабочего процесса ТВС при моделиро-
вании условий их натурной работы.
Следующим этапом отработки ТВС ЯРД стал этап натурных групповых испыта-
ний ТВС в реакторе стационарного действия. В качестве такого аппарата использо-
вался стендовый экспериментальный реактор ИВГ-1. Помимо отработки ТВС и эле-
ГЛАВА 2.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК...
669
ментов активных зон ЯРД различной размерности, этот реактор был призван выпол-
нять функцию стендового прототипа ЯРД средней мощности (200-400 кН тяги) [30].
Подобная комплексность позволяла параллельно решать задачи, свойственные раз-
личным направлениям развития ЯРД, и существенно экономила время и средства.
Успешное проведение испытаний ТВС в реакторе ИВГ-1 позволило приступить к
осуществлению следующего этапа отработки - автономным испытаниям реактора
ЯРД. Стендовая отработка реактора ЯРД тягой 36 кН проводилась в составе специ-
ально спроектированного аппарата ИРГИТ. Испытания включали этапы физического
пуска реактора, холодной газодинамической настройки рабочих трактов, контроль-
ного физического пуска, холодных гидродинамических испытаний, энергетического
пуска, огневых испытаний, послепусковых исследований [31].
Физический пуск осуществлялся в две стадии: вначале - на стенде «Стрела» Фи-
зико-энергетического института [32], затем - на стендовом комплексе «Байкал-1» [33].
Необходимость достижения максимального удельного импульса двигателя в услови-
ях неустранимой, создаваемой физикой процесса неравномерности энерговыделения
по сечению активной зоны реактора требовала применения регулирующих воздействий
на характеристики тракта рабочего тела аппарата. Естественным способом нивелиров-
ания этих отличий, позволяющим достигнуть максимального значения температуры
нагрева рабочего тела в каждой ТВС, является соответствующее перераспределение
расхода водорода по ТВС. Практическая реализация такого перераспределения и
составляет суть газодинамической настройки рабочих трактов реактора.
Под энергетическим пуском (в отличие от физического) понимается первый вы-
вод реактора ЯРД на уровень мощности, позволяющий осуществить нагрев конст-
рукции реактора и рабочего тела в ТВС до температур, близких к номинальным (или
несколько более низких).
Главной целью огневых испытаний являлась комплексная проверка работоспо-
собности реактора и его узлов, проверка правильности конструкторских и техноло-
гических решений, принятых при проектировании реактора. В ходе проведения огне-
вых испытаний решались такие задачи, как:
• исследование теплофизических и гидравлических характеристик элементов
конструкции реактора (определение температурных полей и распределения
давлений водорода в замедлителе, отражателе, ТВС, изучение процессов запус-
ка, останова, расхолаживания, определение состояния ТВС, других узлов и
систем реактора после испытаний);
• исследование нейтронно-физических характеристик реактора (запаса реактив-
ности, температурных, мощностных и плотностных эффектов реактивности,
динамических характеристик реактора и исполнительных органов системы
управления); и
• определение величины выноса из ТВС урана и продуктов деления, изучение
эффективности радиационной защиты, внутренней (на территории стендового
комплекса) и внешней радиационной обстановки;
• исследование работы оборудования и систем стендового комплекса, в том чис-
ле средств измерений и диагностики состояния реактора с помощью специаль-
но разработанных методов и аппаратуры (акустическая эмиссия, термонейт-
ронные детекторы, спектральный анализ излучений реактора и др.).
670
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАЗДЕЛ 2
Таблица 2.4.2
Параметры реактора ЯРД при ЭП и ОИ
Параметр ЭП ОИ-1 ОИ-2
Мощность, МВт 24 33 42
Длительность номинального режима, с 70 93 90
Расход рабочего тела, кг с-1
через корпус-отражатель-замедлитель 1,72 3,23 3,51
через ТВС 1,18 1,46 2,01
Средняя температура рабочего тела на выходе из ТВС, К 1670 2630 2600
Давление рабочего тела, МПа:
на входе в корпус аппарата 6,04 9,46 10,65
на входе в ТВС 1,9 2,2 2,4
на выходе из ТВС 1,1 1,2 1,3
Средняя температура материала, К:
блоков замедлителя 405 397 398
блоков отражателя 356 381 371
корпуса аппарата (снаружи) 315 320 325
Первый экземпляр аппарата ИРГИТ прошел два огневых испытания в 1978 г. В
табл. 2.4.2 представлены некоторые параметры номинального режима на энергетиче-
ском пуске (ЭП) и огневых испытаниях (ОИ) реактора [34].
В дальнейшем на стендовом комплексе «Байкал-1» были проведены натурные ис-
пытания еще двух экземпляров реактора ИРГИТ - № 2 и № 3. Так, 25 декабря 1981 г.
в ходе испытаний аппарата № 2 были достигнуты следующие показатели: мощность
номинального режима - 63 МВт (длительность номинального режима - 38 с); расход
рабочего тела через ТВС - 1,8 кг-с"1, через корпус-отражатель-замедлитель -3,3 кг-с"1;
температура рабочего тела на выходе из ТВС - 2500 К; давление рабочего тела на
входе в корпус аппарата - 12,5 МПа, на входе в ТВС - 3,3 МПа, на выходе из ТВС -
1,4 МПа; средняя температура материала блоков замедлителя - 530 К, блоков отра-
жателя - 420 К, корпуса аппарата (снаружи) - 310 К.
Проведенный анализ результатов испытаний и комплекс послепусковых исследо-
ваний показали, что основные узлы реактора, включая ТВС, успешно выдержали ис-
пытания при реализованных параметрах и находились после их окончания в удовле-
творительном состоянии.
Достигнутые в России характеристики топлива превышают характеристики, дос-
тигнутые в США, и подтверждают возможность создания компактных активных зон
ЯРД различной мощности, обеспечивающих удельный импульс тяги ЯРД - более
900 с.
К настоящему времени выявилась целесообразность функционального объедине-
ния энергодвигательной установки с другими служебными системами КА, исполь-
зуемыми при выведении на рабочую орбиту, в отдельном блоке, получившем назва-
ние «транспортно-энергетический модуль» (ТЭМ). Применение в составе КА ТЭМ на
основе энергодвигательных установок, позволяющих обеспечить как доставку КА на
ГЛАВА 2.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК...
671
рабочую орбиту, так и последующее питание целевой аппаратуры и служебных сис-
тем в течение всего срока эксплуатации аппарата, значительно увеличивает возмож-
ности используемых средств выведения. В сравнении с традиционными средствами
это позволяет повысить эффективность КА на рабочей орбите (при использовании
тех же типов ракет-носителей) за счет значительного (в два и более раз) увеличения
массы целевой аппаратуры и повышенного уровня ее энергообеспечения либо, при
сохранении массы КА, использовать носители меньшей размерности с меньшей
стоимостью пуска и меньшим временем подготовки к старту. Перспективным явля-
ется также применение ТЭМ для межпланетных полетов.
Возможны два типа ТЭМ:
• на основе ЯЭУ и маршевой электроракетной двигательной установки (ЭРДУ);
• на основе бимодальных ядерных энергодвигательных установок (ЯЭДУ), в ко-
торых при межорбитальном перелете используется технология ЯРД, а на энер-
гетическом режиме - технология ЯЭУ.
Благодаря высокому удельному импульсу тяги ЭРДУ (десятки километров в се-
кунду) первый тип ТЭМ обеспечивает наибольшую энергобаллистическую эффек-
тивность. Для этого типа ТЭМ характерны малая тяга (единицы ньютонов), большие
времена транспортировки (0,5-1 год) и значительная электрическая мощность уста-
новки (десятки-сотни киловатт) на этапе выведения, избыточная для целевых систем
КА на рабочей орбите. Траектория выведения КА на рабочую орбиту при непрерыв-
ной работе ЭРДУ представляет собой раскручивающуюся спираль с постепенным
изменением угла наклона плоскости орбиты.
Для второго типа ТЭМ работа бимодальной ЯЭДУ в режиме теплового двигателя
обеспечивает относительно небольшую продолжительность выведения на орбиту
(около одной недели) при значительно более высокой баллистической эффективно-
сти по сравнению с традиционными средствами транспортировки на базе жидкост-
ных ракетных двигателей.
2.4.3. Состояние и перспективы использования РИТЭГ в космических
исследованиях
Целесообразность и перспективность использования РИТЭГ для исследования
космического пространства продиктованы их уникальными техническими характери-
стиками: высокой надежностью, безотказной работой, длительным функционирова-
нием в условиях открытого космоса при сохранении стабильности выходных пара-
метров независимо от ориентации в космическом пространстве и уровня освещенно-
сти. Последний фактор особенно следует учитывать при организации космических
экспедиций для исследования планет, удаленных от Солнца (Юпитер, Сатурн, Плу-
тон, Нептун).
В качестве радионуклида для современных РИТЭГ космического назначения
используется Ри-238, имеющий высокое удельное энерговыделение (0,57 Вт-г"1),
большой период полураспада (87,7 года), низкий радиационный выход (мощность
эквивалентной дозы от нейтронного и гамма-излучений), что позволяет отказаться
от использования в РИТЭГ на Ри-238 дополнительной радиационной защиты и раз-
работать достаточно компактные РИТЭГ с небольшой массой.
612
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
2.4.З.1. Состояние и области применения
РИТЭГ, разработанные в США
Как уже указывалось, начало работ по созданию РИТЭГ космического назначения
относится к середине прошлого столетия. К концу 1960-х гг. в США был создан ряд
РИТЭГ серии SNAP, нашедших применение в исследованиях дальнего космоса. Так,
РИТЭГ SNAP-27 использовались при реализации лунной программы «Apollo» в пе-
риод с 1969 по 1972 гг. РИТЭГ этой серии были доставлены на Луну и проработали
от 5 до 7 лет, обеспечивая питание научной аппаратуры, установленной на поверхно-
сти Луны. РИТЭГ SNAP-19 электрической мощностью около 40 Вт были установле-
ны на КА «Pioneer-10, 11» (1972-1973). КА с РИТЭГ на борту находились в Солнеч-
ной системе около 30 лет, постоянно поддерживая связь с Землей даже при удалении
от Земли на расстояние около 11 ТО9 км (80 а. е.), что позволило получить большой
объем полезной информации. РИТЭГ SNAP-19 также использовались в зондах, впер-
вые доставленных на поверхность Марса КА «Viking-1, 2» (1975).
В дальнейших космических программах США («Voyager-1, 2», 1977) использова-
лись РИТЭГ серии MHW-RTG (Multi Hundred Watt) электрической мощностью около
170 Вт. Связь с КА «Voyager-1, 2» поддерживалась постоянно в течение 20 лет. За это
время КА «Voyager-1,2» провели с пролетной орбиты исследования Марса, Нептуна,
Юпитера и Сатурна. Связь с КА прекратилась в 1998 г., когда они покинули пределы
Солнечной системы.
Последующие работы, проводимые в США по модернизации РИТЭГ, были в ос-
новном связаны с унификацией основных узлов и элементов РИТЭГ (тепловых сбо-
рок, содержащих радионуклидные источники тепла, термоэлектрических преобра-
зователей, систем сброса тепла и т. д.). Эти работы завершились созданием РИТЭГ
последнего поколения, названных GPHS-RTG (General Purpose Heat Source-RTG).
РИТЭГи этой серии использовались в самых масштабных космических экспедициях
США: «Galileo» - исследование Юпитера и его спутников, «Ulysses» - полярных об-
ластей Солнца, «Cassini» - Сатурна и его спутников. В табл. 2.4.3 представлены па-
раметры РИТЭГ США, использованных в исследованиях космоса.
Таблица 2.4.3
Параметры базовых РИТЭГ США на Ри-238
Наименование параметров SNAP-3B SNAP-19 MHW GPHS-RTG
Электрическая мощность, Вт 2,7 40 170 300
Выходное напряжение, В 5,6 30,0 30,0 30,0
Тепловая мощность, Вт 53 610 2400 4500
Количество РиОг, кг 0,12 1,230 4,8 9,0
кпд, % 4,5 6,5 6,7 6,7
Масса, кг 2,1 15,0 36,0 60,0
Удельная мощность, Вт-кг"1 1,3 2,7 4,7 5,0
Срок службы, годы 5 10 10 15
ГЛАВА 2.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК...
673
Помимо РИТЭГ, в космических программах США нашли широкое применение
миниатюрные радионуклидные ТБ на Ри-238 тепловой мощностью 1,0 Вт, которые,
согласно американской терминологии, получили название LW RHU (Lightweight Radio-
isotope Heat Units), или просто RHU. RHU имели габариты: диаметр - 25,4 мм, высота -
33 мм, масса - 40 г - и использовались для поддержания штатного температурного
режима в отсеке с научной аппаратурой при экстремально низких отрицательных тем-
пературах окружающей среды. Такие условия характерны для большинства планетных
исследований, когда температура в ночное время может опускаться ниже -100°С. RHU
использовались как тепловые элементы практически во всех космических экспедици-
ях США. Так, на КА «Cassini» было установлено 117 RHU, на марсоходах «Pathfin-
der» (1999) - два RHU, а на «Spirit» и «Opportunity» (2003) - по четыре RHU.
РИТЭГ, разработанные в СССР и России
Выше уже указывалось, что первые запуски РИТЭГ на Ро-210 в космическое про-
странство были осуществлены в СССР в 1965 г. в составе спутников «Космос-84» и
«Космос-90». Выбор Ро-210 (удельная мощность - 141 Вт-г"1, период полураспада -
138 дней) позволил создать компактную конструкцию РИТЭГ на базе кремниевых
полупроводниковых преобразователей с выходной электрической мощностью поряд-
ка 20 Вт. Срок службы определялся, главным образом, периодом полураспада Ро-210
и составлял около 3 000 часов. С использованием Ро-210 были также изготовлены
тепловые радионуклидные блоки, которые использовались для обогрева «Лунохо-
да-1» и «Лунохода-2» (1969, 1971).
В середине 1970-х гг. по программе длительных исследований планеты Марс в
СССР был проведен обширный цикл исследований и разработок по созданию ком-
плексной радионуклидной энергетической установки (РЭУ) на Ри-238, получившей
условное наименование «ВИЗИТ». В состав такой установки входил РИТЭГ электри-
ческой мощностью около 40 Вт, отработанное тепло (около 600 Вт) от которого пе-
редавалось на теплообменник с помощью тепловых труб.
Однако в силу ряда объективных причин решение о запуске к Марсу КА с РЭУ на
борту не было принято, и разработка РЭУ «ВИЗИТ» закончилась наземной отработ-
кой ее конструкции, изготовлением массо-габаритных макетов, тепловых и электри-
ческих эквивалентов.
Тем не менее за этот период в СССР был решен целый ряд ключевых проблем,
связанных с созданием РИТЭГ космического назначения, а именно:
• создана производственная и технологическая база промышленной наработки
Ри-238;
• разработана промышленная технология получения таблетированного топлива
на основе диоксида плутония;
• разработаны конструкционные материалы, требующиеся для изготовления ра-
дионуклидного источника тепла - РИТ (капсулы с радионуклидом), и опреде-
лена их совместимость с топливной композицией в широком температурном
диапазоне;
• отработана конструкция и технология изготовления отдельных элементов РИТ
и радионуклидных ТБ с использованием композиционных углеграфитовых ма-
териалов;
• создана стендовая база для проведения испытаний РИТ и РИТЭГ.
674
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
В дальнейшем в СССР разработка РИТЭГ на Ри-238 проводилась только для на-
земного использования, в том числе и для питания имплантируемых в тело человека
электрокардиостимуляторов. За это время было создано более 20 модификаций
РИТЭГ на Ри-238 электрической мощностью от долей милливатт до нескольких
ватт и организовано их серийное производство [3,35].
В конце 1990-х гг. актуальность использования РИТЭГ в космосе для России
возникла вновь, когда появилась проблема обеспечения многолетнего функциони-
рования десантируемых на поверхность Марса исследовательских зондов (малых
автономных станций - МАС и пенетраторов), разрабатываемых в рамках междуна-
родного проекта «Марс-96». При этом требовалось обеспечить за счет отработанного
тепла РИТЭГ штатный температурный режим работы аппаратуры МАС, а электриче-
ская мощность РИТЭГ (около 200 мВт) была необходима для поддержания работы
аппаратуры в дежурном режиме и подзарядки аккумуляторных батарей после прохо-
ждения сеансов связи с орбитальным кораблем.
Для МАС КА «Марс-96» были разработаны радионуклидные ТБ тепловой мощ-
ностью 8,5 Вт на Ри-238 и РИТЭГ электрической мощностью около 200 мВт, полу-
чившие название ТБ и РИТЭГ «Ангел» [7]. Радионуклидные ТБ «Ангел» являлись
унифицированными изделиями и предназначались для использования как автономно
для обогрева аппаратуры, так и в составе РИТЭГ в качестве первичного источника
тепла для обеспечения постоянного теплового потока на термоэлектрический преоб-
разователь [8]. В составе МАС использовались по два ТБ и два РИТЭГ. Для пенетра-
торов была разработана комплексная радионуклидная энергоустановка электриче-
ской мощностью около 400 мВт в виде моноблочной конструкции, в состав которой,
помимо двух ТБ тепловой мощностью 8,5 Вт каждый и термоэлектрического преоб-
разователя, входил блок аккумуляторных батарей.
Разработка и проектирование ТБ «Ангел» осуществлялись в строгом соответствии
с «Принципами, касающимися использования ядерных источников энергии в Космо-
се», одобренными Генеральной Ассамблеей ООН в 1992 г. (№43/68 от 12.12.1992 г.),
национальными директивными документами, регламентирующими обращение и ра-
а
Рис. 2.4.3. Внешний вид (а) и конструкция ТБ «Ангел» (б):
1 - радионуклидный источник тепла (РИТ), 2 - антикоррозийная
оболочка; 3 - охранная оболочка; 4 - таблетка РиСЬ;
5 - теплозащитный корпус; 6 - теплоизоляционный вкладыш
ГЛАВА 2.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК...
675
боты с радиоактивными веществами, и
действующими Государственными стан-
дартами РФ.
ТБ «Ангел» цилиндрической формы
(б/= 40 мм, h = 60 мм), фотография и схема
которого представлены на рис. 2.4.3, со-
держит теплозащитный корпус (ТЗК) и
тепловую изоляцию из углерод-углерод-
ных материалов, окружающих ампулу с
диоксидом Ри-238. В ампуле содержится
около 17 г диоксида Ри-238 с активностью
260 Ки. Основные технические параметры
ТБ «Ангел» приведены в табл. 2.4.4.
Проведенный большой объем назем-
ных испытаний ТБ «Ангел» по специально
разработанной программе подтвердил на-
дежность конструкции ТБ с точки зрения
обеспечения радиационной безопасности (РБ) при штатной эксплуатации и аварий-
ных воздействиях, что позволило сертифицировать его на безопасность использова-
ния в составе КА «Марс-96» [36].
В табл. 2.4.5 приведены сравнительные характеристики радионуклидных ТБ
LW RHU (США) и ТБ «Ангел» (Россия), сертифицированных на безопасность ис-
пользования в космическом пространстве.
Таблица 2.4.4
Технические параметры ТБ «Ангел»
Параметр Значение
Тепловая мощность, Вт 8,5
Радионуклидное топливо РиО2
Габариты, мм
диаметр 40,0
высота 60,0
Масса, г 180
Срок службы, годы 10
Мощность эквивалентной дозы излучения на R = 1 м от поверхности, мбэр ч-1 0,2
Таблица 2.4.5
Сравнительные характеристики ТБ LW RHU и ТБ «Ангел»
Параметры Тип ТБ
LW RHU («Galileo», «Cassini») «Ангел» («Марс-96»)
Радионуклид Pu-238 Pu-238
Физическая форма PuO2 PuO2
Тепловая мощность, Вт 1,0 8,5
Количество Ри-238, г 1,8 15,0
Активность, Ки 33,6 260
Конструкция многослойная многослойная
Габариты, мм
диаметр 25,4 40
высота 33 60
Масса, г 40 185
Удельное тепловыделение, Вт г-1 0,025 0,046
Удельный тепловой поток, Вт-см-2 0,05 0,08
676
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
а
Рис. 2.4.4. Фотография РИТЭГ «Ангел» с основными комплектующими
(ТБ «Ангел» и термоэлектрическая батарея) (а) и его конструкция (б):
1 - блок тепловой радионуклидный; 2 - батарея термоэлектрическая; 3 -
тепловая изоляция; 4 - корпус; 5 - элементы крепления; 6 - электроразъем
РИТЭГ «Ангел» (рис. 2.4.4) разработан на базе одного ТБ «Ангел» В качестве
преобразователя использовались полупроводниковые термоэлектрические материалы
на основе висмут-теллуридовых сплавов.
Сброс отработанного тепла РИТЭГ осу-
ществлялся через узел крепления РИТЭГ к
раме МАС. РИТЭГ «Ангел» при комнат-
ной температуре вырабатывал электриче-
скую мощность около 200 мВт при рабо-
чем напряжении 15 В. Питание аппарату-
ры МАС осуществлялось от РИТЭГ через
буферный накопитель - аккумуляторную
батарею на основе никель-кадмиевых ак-
кумуляторов. Основные параметры РИТЭГ
«Ангел» приведены в табл. 2.4.6
В разработке РИТЭГ «Ангел» помимо
НИИ «БИАПОС» (головная организация)
принимали участие многие специализиро-
Таблица 2.4.6
Технические параметры РИТЭГ «Ангел»
Параметр Значение
Электрическая мощность, мВт 200
Выходное напряжение, В 15
КПД, % 2,3
Максимальная масса, кг 0,5
Габариты, мм
диаметр 85
высота 120
Срок службы, годы 10
ванные организации, имеющие многолет-
ний практический опыт подобных работ и обладающие необходимым производст-
венным и стендовым испытательным оборудованием.
2.4.3.2. Перспективы использования РИТЭГ в космосе
В настоящее время NASA меняет концепцию использования РИТЭГ в космосе.
Если раньше США использовали РИТЭГ электрической мощностью около 300 Вт
(КА «Galileo», «Cassini», «Ulysses»), содержащие до нескольких десятков килограм-
мов Ри-238, то теперь планируется использовать РИТЭГ небольшой мощности (от
нескольких ватт до десятков ватт), главным образом, в исследовательских зондах,
десантируемых на поверхность планет и малых тел (астероиды, кометы) Солнечной
ГЛАВА 2 4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК...
677
Таблица 2А.1
Основные характеристики РИТЭГ электрической мощностью до 3 Вт на базе ТБ «Ангел»
Наименование RTG «Ангел» RTG А-1 RTG А-2 RTG А-3
Электрическая мощность, Вт 0,2 0,30 0,70 1,1
Напряжение, В 15 5 5 5
Тепловая мощность, Вт 8,6 8,6 17,2 25,8
КПД RTG. °о 2,6 3,4 4,1 4,3
Масса RTG, кг 0,5 0,5 1,0 1,5
Удельная мощность, Вт-кг"1 0,4 0,6 0,7 0,7
Количество RHU 1 1 2 3
Габариты RHU, мм
диаметр 40 40 40 90
высота 60 60 122 60
Габариты RTG, мм
диаметр 85 85 85 160
высота 120 120 185 140
Срок службы, годы 10 15 15 15
системы. В таких РИТЭГ содержится небольшое количество Ри-238 (до сотен грам-
мов), что значительно удешевляет проект в целом и позволяет более надежно обеспе-
чить радиационную безопасность. Имеется информация о проекте создания РИТЭГ
электрической мощностью 40 мВт (в рамках программы Power Stick) на базе RHU
тепловой мощностью 1,0 Вт, однако эти работы находятся на стадии эксперимен-
тальных исследований и раннего проектирования [37, 38].
К настоящему времени в НИИ «БИАПОС» закончены расчетные и эксперимен-
тальные исследования, подтвердившие возможность и экономическую целесообраз-
ность создания на базе ТБ «Ангел» РИТЭГ электрической мощностью до 1 Вт с КПД
около 5% и удельной электрической мощностью около 1,0 Вт-кг"1. В табл. 2.4.7 при-
ведены основные технические параметры разработан-
ных модификаций РИТЭГ.
С использованием полученных данных НПП
«БИАПОС» разработаны (в рамках российско-фин-
ского проекта «MetLander») и изготовлены массо-га-
баритный, тепловой и электрический эквиваленты
РИТЭГ-ML для метеорологического зонда по иссле-
дованию планеты Марс. На рис. 2.4.5 представлена
фотография РИТЭГ-ML.
Помимо мини-РИТЭГ с использованием ТБ «Ан-
гел» НПП «БИАПОС» в настоящее время ведет про-
ектные исследования по разработке унифицированно-
го ряда РИТЭГ на Ри-238 космического назначения
Рис. 2.4.5. Фотография
РИТЭГ-ML
678
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.4.6. Конструкция ТБ
тепловой мощностью 300 Вт:
1 - РИТ-238-50 (6 шт.); 2 - корпус,
3 - крышка; 4 - вкладыши
электрической мощностью от 30 Вт и более. В ос-
нову данной разработки заложен модульный прин-
цип создания РИТЭГ, когда разрабатываются базо-
вые (стандартные) модули основных элементов
РИТЭГ: радионуклидного ТБ, термоэлектрического
преобразователя, конструктивной схемы РИТЭГ.
Такой подход позволит в дальнейшем с минималь-
ным объемом изменений в конструкции РИТЭГ
создавать модификации РИТЭГ на конкретно за-
данную величину электрической мощности в диа-
пазоне от 30 до 150 Вт путем агрегатирования от-
дельных базовых модулей, радионуклидных ТБ и
термоэлектрических преобразователей в радионук-
лидные тепловые кассеты и термоэлектрические
системы преобразователей, связанные между собой
определенным набором конструктивных элементов.
На основе проведенных расчетных исследова-
ний по оптимизации массо-габаритных характеристик РИТЭГ такого класса в каче-
стве базового единичного модуля радионуклидного источника тепла (РИТ) была
предложена ампула с таблетированной двуокисью плутония тепловой мощностью
50 Вт и с рабочей температурой до 1 100°С.
Конструкция унифицированного ТБ тепловой мощностью 300 Вт на базе такой
ампулы показана на рис. 2.4.6. Максимальный
КПД разрабатываемого РИТЭГ (около 10%) обес-
печивается использованием в конструкции РИ-
ТЭГ двухкаскадного термоэлектрического преоб-
разователя с перепадом температур от 50 до 950°С.
В качестве первого каскада используются крем-
ний-германиевые сплавы, а в качестве второго -
сегментированные элементы на основе теллурида
висмута и теллурида свинца. Такая конструкция
термоэлектрического преобразователя позволяет
реализовать наиболее эффективно весь рабочий
диапазон температур.
На рис. 2.4.7 представлена принципиальная
конструктивная схема РИТЭГ электрической мощ-
ностью 30 Вт.
Особенностью такой конструкции РИТЭГ яв-
ляется тот факт, что радиогенный гелий, обра-
зующийся в результате распада Ри-238, из объема
ампулы с диоксидом плутония сбрасывается в
специально предусмотренную герметичную по-
лость РИТЭГ, а затем по мере накопления гелий
через клапан выводится за пределы корпуса
Рис. 2.4.7. Принципиальная
конструктивная схема РИТЭГ
электрической мощностью 30 Вт"
1 - радионуклидный блок; 2 -
термоэлектрическая батарея (42 шт.);
3 - корпус; 4 - устройство поджима;
5 - штенгель; 6 - газоэкранная
тепловая изоляция; 7 - газосборник
для гелия; 8 - опора (4 шт.); 9 -
газоотвод гелия; 10 - электроразъем
ГЛАВА 2.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК...
679
Таблица 2.4.8
Параметры РИТЭГ мощностью 30 Вт
Параметр Значение
Электрическая мощность, Вт 30
Напряжение, В 6
Тепловая мощность, Вт 300
Удельная мощность, Вт-кг"1 5,0
КПД RTG, % 10,0
Масса РиО2, г 750
Масса RTG, кг 6,0
Габариты RHU, мм
диаметр 90
высота 140
Габариты RTG, мм
диаметр 180
высота 290
Срок службы, лет 10
РИТЭГ. Тепло с поверхности радионук-
лидной тепловой кассеты передается на
термоэлектрический преобразователь излу-
чением, а сброс обработанного тепла в
окружающую среду обеспечивается по-
верхностью корпуса РИТЭГ. Такая конст-
рукция РИТЭГ позволяет использовать его
как на орбитальном аппарате (в условиях
глубокого вакуума), так и на поверхности
планет.
В табл. 2.4.8 приведены основные тех-
нические параметры одной из модифика-
ций такого РИТЭГ электрической мощ-
ностью 30 Вт.
В настоящее время за рубежом (осо-
бенно в США) достаточно интенсивно
проводятся исследования по получению
новых термоэлектрических материалов с
повышенными термоэлектрическими свой-
ствами (так называемые скутерудиты).
Эти исследования ставят целью создать
термоэлектрические преобразователи, спо-
собные работать длительное время не
только при использовании в РИТЭГ, но и в ядерных энергетических установках реак-
торного типа киловаттного диапазона, таких, как разработка США SP-100.
В США (в рамках новой ядерной инициативы) проводятся работы по созданию
РЭУ, использующие более эффективные системы преобразования. К ним в первую
очередь относятся РЭУ типа «АМТЕС», РЭУ с термофотоэлектрическим преобразо-
вателем и РЭУ с двигателем Стирлинга [39-41]. Использование в РЭУ таких преоб-
разующих систем позволяет теоретически получить КПД на уровне 16-18%. К сожа-
лению, существуют много объективных факторов, которые не позволяют обеспечить
надежность работы подобных систем (даже при наземных стендовых испытаниях) в
течение длительного ресурса, который был достигнут и подтвержден более чем
20-летней эксплуатацией РИТЭГ на плутонии в условиях глубокого космоса на
КА «Pioneer-10, 11», «Voyager-1, 2».
Не останавливаясь на деталях использования РИТЭГ в конкретных космических
миссиях, запланированных к реализации до 2030 г., таких как проекты «Aurora»
(ESA) и «Prometheus» (NASA), исследования Луны, Юпитера, Сатурна, Меркурия,
Плутона, отметим, что для каждой конкретной экспедиции требуются разработки
РИТЭГ на заданный уровень электрической мощности с обязательной привязкой к
объекту, где будет размещаться и эксплуатироваться в дальнейшем РИТЭГ.
Из сказанного выше можно сделать главный вывод, что РИТЭГ на Ри-238 будут
по-прежнему востребованы при длительных планетных исследованиях в космиче-
ских программах XXI века. Что же касается использования радионуклидных ТБ
(RHU «Ангел», LW RHU), то проблем с их использованием в качестве тепловых (на-
680
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
гревательных) элементов практически не существует. Надежность и безопасность их
использования обеспечивается конструкцией ТБ, а небольшая тепловая мощность и
незначительное количество Ри-238 (около 2,0 г для LW RHU и около 15,0г для
ТБ «Ангел») не представляют серьезных трудностей для обеспечения безопасной
работы.
Таким образом, по нашему мнению, по крайней мере в ближайшие 10-15 лет РИ-
ТЭГ и радионуклидные ТБ на Ри-238 по-прежнему будут доминировать при исследо-
ваниях планет и малых тел Солнечной системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пупко В.Я. История работ по двигательным аппаратам на ядерной энергии для космических и авиаци-
онных установок. ГНУ РФ-ФЭИ, Обнинск, 2002.
2. Пономарев-Степной Н.Н. Ядерная энергетика в космосе. Атомная энергия, 1989, т. 66, вып. 6.
3. Лазаренко Ю.В., Пустовалов А.А., Шаповалов В.П. Малогабаритные ядерные источники электриче-
ской энергии. М.: Энергоатомиздат, 1992.
4. Корилис У., Харви Д. Источники энергии на радиоактивных изотопах. Пер. с англ. НИР, 1967.
5. Миллионщиков М.Д. Гвердцители И.Г., Меркин В.Н. и др. Высокотемпературный реактор прямого
преобразования «Ромашка». Доклад № 873 на Третьей международной конференции по мирному ис-
пользованию атомной энергии, Женева, 1964.
6. Постановление Правительства Российской Федерации от 2 февраля 1998 г. № 144 «О Концепции раз-
вития космической ядерной энергетики в России». Российская газета, 11 февраля 1998 г., № 26.
7. Pustovalov A., Polyakov V., Nikulichev V. Certification of Plutonium-238 radionuclide power sources for
«Mars-96» international mission. Space Bulletin, 1995, v. 2, No 4.
8. Блок тепловой радионуклидный - ТБ-238-8,5. Технические условия ТУ-952494-94 (Б 1.001.1 ТУ), 1995.
9. Гвердцители И.Г., Кухаркин Н.Е., Пономарев-Степной Н.Н., Усов В.А. Основные результаты 15000-часо-
вых испытаний высокотемпературного реактора-преобразователя «Ромашка». Доклад на 4-й Межве-
домственной конференции по преобразованию энергии. США, Вашингтон, 1969.
10. Данные по спутникам с ядерными источниками энергии, запущенными в составе космических аппара-
тов в течение 1965-1996 гг. Материал для представления в секретариат Комитета ООН по мирному
использованию космического пространства. Вена, Австрия, март-апрель 2001.
11. Кузнецов В.А., Грязнов Г.М., Артюхов Г.Я. и др. Разработка и создание термоэмиссионной ЯЭУ «То-
паз». Атомная энергия, 1974, т. 36, вып. 6.
12. Грязнов Г.М., Пупко В.Я. «ТОПАЗ-1» - советская космическая ЯЭУ. Природа, 1991, № 10.
13. Машканцев А.П. Космический эксперимент с термоэмиссионной ЯЭУ «Топаз-1». Новости космонав-
тики, 1999, № 6, с. 197.
14. Никитин В.П., Пономарев-Степной Н.Н., Николаев Ю.В. и др. Космическая ЯЭУ «Енисей». Атомная
энергия, 2000, т. 88, вып. 6.
15. Васильковский В.С. Ядерная энергетика в космосе. Аэрокосмический курьер, 2002, № 4,5.
16. Грязнов Г.М., Николаев В.С., Сербин В.И., Тюгин В.М. Концепция радиационной безопасности кос-
мических ЯЭУ и ее реализация на спутнике «Космос-1900». Атомная энергия, 1989, т. 66, вып. 6.
17. Богуш И.П., Грязнов Г.М., Жаботинский Е.Е. и др. Космическая термоэмиссионная ЯЭУ по программе
«Топаз». Принципы конструкции и режимы работы. Атомная энергия, 1991, т. 70, вып. 4.
18. Шефтель Л.М. Система подачи пара цезия долгоресурсных термоэмиссионных ЯЭУ. Атомная энергия,
1991, т. 71, вып. 5.
19. Вольберг М.С., Грязнов Г.М., Жаботинский Е.Е и др. Основные принципы управления термоэмисси-
онной ЯЭУ «Топаз» на различных режимах. Атомная энергия, 1991, т. 71, вып. 6.
20. Грязнов Г.М., Богуш И.П., Жаботинский Е.Е. и др. Принципы создания, наземной отработки и летных
испытаний ЯЭУ по программе «Топаз». В сб. трудов Международной конференции «Ядерная энерге-
тика в космосе». Обнинск, 1990.
ГЛАВА 2.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК...
681
21. Nickitin V.P., Ogloblin B.G., Luppov A.N. et al. «TOPAZ-2» thermionic space nuclear power system and the
perspectives of its development. In: Proc. 8th Symp. on Space Nuclear Power Systems, Part 2, 1991 Albu-
querque NM.
22. Никитин В.П., Оглоблин Б.Г., Луппов А.Н. и др. Перспективы развития термоэмиссионных космиче-
ских ЯЭУ на базе существующих одноэлементных ЭГК. Международная конференция «Ядерная энер-
гетика в космосе». Обнинск, 1990.
23. Ponomarev-Stepnoi N.N., Nickolaev Yu.V., Kucherov R.Ya. et al. Comparative analysis of concepts of single-
cell and multi-cell TFE of Thermionic NPS. Proc. 10th Symp. on Space Nuclear Power Systems, Part 3, Al-
buquerque NM, 1993.
24. Schmidt G.L., Ogloblin B.G. et al. TOPAZ-2 non-nuclear qualification test program. Proc. 11th Symp. on Spa-
ce Nuclear Power Systems, Part 3, Albuquerque NM, 1994.
25. Nickitin V.P., Ogloblin B.G., Sinkevich V.G. Special features and results of the TOPAZ-2 nuclear power
system tests and with electric heating. 9th Symp. on Space Nuclear Power Systems, Part 1, Albuquerque NM,
1992.
26. Nickitin V.P., Ogloblin B.G., Luppov A.N. et al. Program on the TOPAZ-2 system preparation for flight tests.
Proc. 10th Symp. on Space Nuclear Power Systems, part 2, Albuquerque NM, 1993.
27. Ponomarev-Stepnoi N.N., Nechaev Yu.A., Khazanovich I.M. et al. A quantitative assessment of reliability of
the TOPAZ-2 space NSP reactor unit based on ground development results. Proc. 14th Symp. on Space Nu-
clear Power Systems, Part 3, Albuquerque NM, 1997.
28. Коротеев A.C., Гафаров А.А., Сметанников В.П., Колганов В.Д., Пономарев-Степной H.H., Усов В.А.,
Зродников А.В., Ионкин В.И., Федик И.И., Николаев Ю.В., Васильковский В.С., Андреев П.В., Ра-
чук А.В., Белогуров А.И. Опыт создания и основные направления развития космической ядерной
энергетики в России. В сб. трудов Международной юбилейной научно-технической конференции
НИКИЭТ. М., 2002.
29. Курчатов И.В., Доллежаль Н.А. и др. Импульсный графитовый реактор ИГР. Атомная анергия, 1964,
т. 17, вып. 6.
30. Колганов В.Д., Сметанников В.П., Уласевич В.К. и др. Место реактора ИВГ-1 в перспективной про-
грамме создания ЯРД для марсианской экспедиции. Третья отраслевая конференция «Ядерная энерге-
тика в космосе. Ядерные ракетные двигатели». Подольск, 1993.
31. ДемянкоЮ.Г., Конюхов Г.В., Коротеев А.С., Кузьмин Е.П., Павельев А.А. Ядерные ракетные двига-
тели. Под ред. ак. Коротеева А.С. М.: ООО «Норма-Информ», 2001.
32. Дегтярева Л.А., Захаркин И.И., Ионкин В.И. и др. Проблемы нейтронной физики и ядерной безопасно-
сти реактора ЯРД минимальных размеров. Третья отраслевая конференция «Ядерная энергетика в
космосе. Ядерные ракетные двигатели». Подольск, 1993.
33. Беляков В.В., Горбатых А.И., Зеленский Д.И. и др. Физические исследования активных зон прототи-
пов реакторов ЯРД на стендовом комплексе «Байкал-1». Третья отраслевая конференция «Ядерная
энергетика в космосе. Ядерные ракетные двигатели». Подольск, 1993.
34. Захаркин И.И., Ионкин В.И., Коновалов В.А. и др. Разработка ЯРД на основе реактора минимальных
размеров ИРГИТ. Энергетические испытания опытного образца ядерного реактора. Третья отраслевая
конференция «Ядерная энергетика в космосе. Ядерные ракетные двигатели». Подольск, 1993.
35. Pustovalov A.A. Mini RTG on Plutonium-238: Development and application. The 18th International Confe-
rence on Thermoelectrics (ICT-99), Baltimore, Maryland, USA, 1999.
36. Сертификат на безопасность использования ТБ-238-8,5 в космическом пространстве № ФСС КТ
134.01-1.4-6942-01.95 от 15 июня 1995 г.
37. Pustovalov A., Gusev V., Borschevsky A., Chmielewsky A. Experimental confirmation of milliwatt power
source concept. International Conference on Thermoelectric, ICT-99, Baltimore, USA, 1999.
38. Bass J., Allen O. Milliwatt Radioisotope Power Supply for Space Application. ICT-99, Baltimore, USA, 1999.
39. Loughin S., Uppal P. Radioisotope thermophotovoltaic generator for space power applications. Pluto Express
FY 95 Report, 30 September 1995, JPL, D-12931.
40. Schock A. Comparison on thermoelectric space power system with alternative conversion options. Pluto Ex-
press FY 95 Report, 30 September 1995, JPL, D-12931.
41. Ivanenok J., Sievers R. Amtec radioisotope power system for the Pluto express mission. Pluto Express FY 95
Report, 30 September 1995, JPL, D-12931.
ГЛАВА 2.5
РАЗРУШЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В СТОЛКНОВЕНИЯХ С КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
Смирнов Н.Н., Киселев А.Б., Никитин В.Ф.
Механико-математический факультет МГУ
Список сокращений
КА космический аппарат
КМ космический мусор
ВВЕДЕНИЕ
Разрушения космических аппаратов (КА) в результате столкновений с другими
космическими объектами и взрывов являются главной причиной образования попу-
ляции осколков сантиметровых и миллиметровых размеров в составе космического
мусора (КМ). Высокоскоростные столкновения КА с такими осколками могут иметь
катастрофические последствия. В данной главе будут рассмотрены различные сцена-
рии возможных разрушений КА и индуцируемые ими поля фрагментов КМ.
2.5.1. Образование космического мусора при различных типах разрушений
спутников
Рассмотрим разрушения орбитальных объектов под воздействием неоднородных
внутренних нагрузок, вызываемые как внутренним взрывом объекта, так и высоко-
скоростным соударением с частицами КМ [1-10]. Разработанный термодинамиче-
ский критерий разрушения материала, основанный на величине критической дисси-
ГЛАВА 2.5
РАЗРУШЕНИЯ КА В СТОЛКНОВЕНИЯХ С КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
683
пации энергии, позволяет определить число и скорость обломков, получаемых при
разрушении. Сравнительный анализ показывает, что функция распределения коли-
чества образующихся обломков по массе весьма сильно зависит от сценария разру-
шения, что может привести к существенному отклонению результатов от прогнози-
руемых по общепринятым моделям фрагментации [11-13]. Разрушения, вызванные
химическим взрывом и высокоскоростным соударением частиц с объектом, находя-
щимся под внутренним давлением, порождают различные потоки обломков.
2.5.1.1. Разрушения КА на орбите
Разрушения КА по различным причинам, и прежде всего их взрывы, а также
взрывы верхних ступеней ракет-носителей, дают наибольший вклад в образование
КМ [16]. Только в 1981 г. Don Kessler (NASA) смог найти корреляцию между КМ от
орбитальных взрывов, зарегистрированных системой слежения за космическими
объектами NORAD /ADCOM, и поведением последних ступеней ракет, остававшихся
на орбите после выведения спутников [17, 20]. С 1969 по 1981 гг. произошло 10 слу-
чаев разрушения вторых ступеней ракеты Delta, остававшихся на орбите после
завершения миссии [18-19]. Время, прошедшее с момента запуска ракет до взрыва,
составляло от 1 дня до 5 лет. На рис. 2.5.1 приведена схема второй ступени ракеты
Delta, из которой видно, что горючее и окислитель в едином топливном баке разде-
лены общей перегородкой. Табл. 2.5.1 отражает историю разрушения этих ступеней
после того, как они были выведены на орбиту.
Сфера с жидким азотом
Рис. 2.5.1. Схема второй ступени ракеты Delta
Одной из наиболее вероятных причин орбитальных разрушений является превы-
шение давления в баках с горючим и окислителем с последующим разрушением пе-
регородки между ними, смешивание остающихся компонентов топлива и их возгора-
ние, что с большой вероятностью приводит к взрыву [16-20]. Теоретические и экспе-
риментальные исследования разрушений топливных баков показывают, что такие
характеристики разрушения, как число, массы и скорости фрагментов сильно зависят
от хода процесса высвобождения энергии в топливном баке [11-14, 21]. Другими
возможными причинами орбитальных взрывов являются высокоскоростное столк-
новение фрагментов с отсеками, находящимися под давлением, и химические
взрывы.
684
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Таблица 2.5.1
Ступени ракеты Delta и история их разрушения после выведения на орбиту
(по данным источников США)
Порядковый номер Выведенный спутник Дата запуска Дата взрыва Время нахождения на орбите
44 INTELSAT II F2 11.01.1967 конец 1971 5 лет
71 INTELSAT II Е 26.07.1969 26.07.1969 1 день
89 LANDSAT А 23.07.1972 22.05.1975 2 года 10 дней
98 ITOS-F 06.11.1973 29.12.1973 1.5 месяца
104 ITOS-G 15.11.1974 20.08.1975 9 месяцев
107 LANDSAT 22.01.1975 09.02.1976 19.06.1976 1 год 4 месяца
109 GEOS-C 09.04.1975 март 1978 3 года
126 ITOS-H 29.07.1976 24.12.1977 1 год 5 дней
132 GMS 14.07.1977 15.07.1977 1 день
139 LANDSAT С 05.03.1978 27.01.1981 2 года 11 дней
Ниже обсуждаются физические и математические модели разрушения, которые
могут описать явление фрагментации при различных сценариях разрушений и опре-
делить число, массы и скорости обломков [11, 12, 22-31].
2.5.1.2. Физическая модель процессов разрушения
Рассматривая различные возможные сценарии разрушения, можно прийти к сле-
дующей классификации типов разрушений.
1. Разрушения при химических взрывах. Такие разрушения возникают от внут-
ренней нагрузки на структуру из-за выделения химической энергии.
2. Разрушения из-за превышения давления - возникают при постепенном равно-
мерном нарастании внутренней нагрузки по причине физических воздействий на
среду: нагрев, испарение и т. д.
3. Разрушения в результате столкновений - возникают при мгновенной нагрузке
на структуру из-за превращений кинетической энергии сталкивающихся объектов.
Каждый из этих типов разрушения может иметь множество сценариев. Выделение
химической энергии в предварительно смешанных горючих материалах, вступающих
в контакт внутри КА, может проходить в двух режимах: медленное горение и дето-
нация (быстропротекающий процесс, когда скорость распространения зоны реакции
достигает нескольких километров в секунду) [22, 23]. Интенсивность нагрузки на
стенки и максимальная нагрузка при медленном горении и детонации отличается по
величине на несколько порядков, что приводит к различным профилям нагружения,
степени фрагментации, массам и скоростям обломков [24].
Предварительно неперемешанные горючие системы (высокочувствительное би-
нарное топливо), реагирующие в осциллирующем диффузионном режиме [14], вызы-
ГЛАВА 2.5
РАЗРУШЕНИЯ КА В СТОЛКНОВЕНИЯХ С КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
685
вают неравномерную нагрузку на стенки, что приводит к появлению очень широкого
спектра распределения числа обломков по их массе с несколькими максимумами.
Столкновения объектов, находящихся под давлением, с высокоскоростными час-
тицами приводят к различным сценариям разрушения для газонаполненных объектов
и объектов, содержащих жидкость.
Ниже мы дадим краткое описание моделей для нескольких сценариев разру-
шения.
Все случаи разрушения объектов на орбите содержат следующие характерные
стадии:
• выделение энергии и нагрузка на структурные элементы;
• динамическая деформация структур и накопление повреждений;
• разрушение стенок, рост трещин, образование и разлет фрагментов.
Модель выделения энергии
Внутренняя нагрузка на структуру может быть вызвана выделением химиче-
ской энергии (в режиме горения и/или детонации) либо превращением кинетиче-
ской энергии при высокоскоростных столкновениях.
В случае химического взрыва реагенты (например, в топливных баках) могут при-
сутствовать в различных фазах: жидкость, газ или твердое вещество. Таким образом,
должна применяться математическая модель для химической реакции в многофазной
среде. Такие процессы выделения энергии и «точечных взрывов» также могут быть
описаны с помощью математической модели химически реагирующих многофазных
потоков [28, 29].
В случае высокоскоростного столкновения спутника с частицей в зоне контакта
формируется облако мелких быстро движущихся фрагментов, проникающих в газо-
йли жидкостно-наполненные отсеки, находящиеся под давлением. Резкое торможе-
ние этих фрагментов (с возможным их горением в содержащих кислород отсеках)
приводит к выделению тепловой энергии в небольшой области внутри отсека, что
похоже на взрыв. Динамика нагрузки на стенки после этого зависит от плотности
высвобожденной энергии, процесса распространения ударных волн и их отражения
от стенок отсека. Ввиду большой важности этого явления как для описания послед-
ствий столкновений КА с быстролетящими фрагментами, так и для разработки
средств защиты, процесс высокоскоростного удара по газонаполненному контейнеру
будет ниже рассмотрен отдельно.
Модель динамической деформации стенок
Математические модели динамической деформации стенок отсеков под действи-
ем внутренней нагрузки описаны в [11-14, 25-27, 30]. Стенки отсека могут состоять
из многослойного композитного материала, поэтому для описания процесса и расче-
та накопления повреждений предпочтительны многофазные модели. Материал сте-
нок может быть рассмотрен как упруго-вязко-пластическая [12, 14] или как тер-
мовязкоупругая среда [И]. Определяющая система уравнений для осесимметричной
задачи о динамической деформации термовязкоупругой композитной оболочки
[27, 30] позволяет определить рост упругой энергии и механической диссипации в
такой оболочке при динамической деформации.
686
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Модели фрагментации
Нами использовался термодинамический критерий разрушения, основанный на
величине критической диссипации энергии £>*, накапливающейся при необратимых
процессах: вязкой диссипации, накоплении повреждений при растяжении, сдвиге и
расслоении фаз. При удовлетворении этому критерию: D>D+- возникает разруше-
ние оболочки [И, 12,30]. Число фрагментов, образующихся при разрушении обо-
лочки, определяется из условия соблюдения баланса упругой энергии, аккумулиро-
ванной в оболочке в момент ее разрушения, и работы, которую необходимо затратить
на формирование трещин. Упругая энергия £*, аккумулированная в момент разруше-
ния /* в произвольном участке оболочки толщиной Л, расходуется на образование
трещин (поверхностей разрыва) вокруг фрагментов:
00
Е,кЕ = У0о jy hp(s)f(s)ds,
О
где у - удельная энергия, поглощающаяся при формировании единицы площади
поверхности; p(s) - полупериметр фрагмента площадью 5; кЕ (0 < кЕ < 1) - коэф-
фициент поглощения упругой энергии; /(s) ~ плотность функции распределения
фрагментов; NQa - число фрагментов, образовавшихся при разрушении участка
оболочки а.
С помощью этого выражения можно вычислить число образующихся фрагментов
и определить их минимальный размер:
/ \2
[ yV ]
*^min — j 77 /
Е* к£• j
где V- объем разрушившегося элемента оболочки.
Решение задачи разрушения позволяет нам определить скорости фрагментов,
которые те имели в момент формирования трещин. После образования трещин
каждый фрагмент уже не испытывает непосредственного влияния соседних, и
решение задачи динамического деформирования оболочки на этом завершается.
Дальнейшее изменение скорости фрагментов происходит под воздействием расши-
ряющегося потока газа, образованного после разрушения оболочки. При этом вна-
чале газ истекает через узкие щели, образовавшиеся между фрагментами, а ускоре-
ние фрагментов происходит под действием перепада давлений на внутренней и
внешней поверхностях. Затем, по мере разлета фрагментов, их взаимодействие с
окружающим потоком газа начинает происходить в режиме свободного обтекания.
Поэтому конечные скорости разлета обломков могут быть получены из решения
следующих уравнений:
-^-Sp|vy-u|(vy-u),
где 5 = S;C0sa + (^+^./4r0K;Sina; Q=Q(a,y?); / = /s/9 mj = pshsj - масса фраг-
мента; Nj - его скорость; и - скорость газа; р - давление в расширяющемся истека-
ющем газе; Sj - площадь поверхности (одна сторона); h - толщина фрагмента; Cd -
аэродинамический коэффициент сопротивления; S - эффективная поверхность, об-
ращенная к потоку; a - угол ориентации; характерный размер фрагмента; / -
ъ дР
т. —- = -hs; —
dt dr
ГЛАВА 2.5
РАЗРУШЕНИЯ КА В СТОЛКНОВЕНИЯХ С КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
687
коэффициент формы; г0 - радиус кривизны фрагментов. Начальными условиями для
этих уравнений являются:
t = /*; Vy = V;*; X = гоу,
где у,., - скорость оболочки непосредственно перед разрушением.
2.5.1.З. Фрагментация оболочек при равномерном нагружении
Рассмотрим разрушение тонкостенной цилиндрической оболочки отсека, вызван-
ное взрывом кислородно-водородной смеси, заполнявшей отсек. Параметры смеси и
отсека были выбраны согласно экспериментальным данным, описанным в [21].
На рис. 2.5.2 показан один из случаев фрагментации; данные приведены в виде
диаграммы зависимости числа обломков от их массы при разрушении цилиндриче-
ской оболочки для случая детонации смеси внутри отсека.
Расчетная диаграмма соответствует данным эксперимента ESOC-2 [21] (кривая 2
на рис. 2.5.2). Начальные условия и параметры системы следующие: радиус бака
г =30 см, длина 75 см, толщина стенок Л = 0,5 мм, плотность материала стенок
р = 2 700 кг-м~3, удельная теплоемкость cv = 924,3 Дж-кг^-К-1, коэффициент объем-
ного расширения аг= 6,72-10"5 К"1, модуль сдвига ц = 27ГПа, предел упругости
Лпах= 0,68 ГПа, энергия на образование единицы площади поверхности разрыва
у = 100 кДж-m'2, экспоненциальный параметр функции распределения Л = 0,5.
Сравнение теоретических и экспериментальных результатов показывает, что для
той части спектра, которая соответствует крупным фрагментам, совпадение весьма
хорошее. Некоторая разница для мелких фрагментов (теория дает большее их число,
чем эксперимент) может объясняться тем, что в эксперименте не все мелкие обломки
были собраны. В [21] было отмечено, что масса, потерянная в эксперименте ESOC-2,
составляла 1,3% от общей массы оболочки, что равно приблизительно 20 г. Разница
масс для мелких фрагментов между теоретическими и экспериментальными данными
значительно меньше этой величины. Данные экспериментов ESOC-1 и ESOC-3 (кри-
вые 1 и 3 на рис. 2.5.2) подтверждают общий
характер распределения, за исключением
наличия множественной мелкой фракции,
что также может объясняться потерей в
эксперименте мелких фрагментов.
Были рассмотрены различные режимы
выделения энергии: горение, детонация и
переход горения в детонацию [22,23]. В
последнем случае может возникать волна
пересжатой детонации, которая приводит к
очень высокой интенсивности нагрузки на
стенку при своем отражении [24].
Результаты численного моделирования
показывают, что процесс разрушения, рас-
пределение числа и массы обломков и их
скоростей значительно различаются в зави-
симости от режима горения (интенсивности
igTV
Рис. 2.5.2. Диаграмма зависимости числа
фрагментов N от их массы М при
разрушении цилиндрической оболочки
для случая детонации стехиометрической
смеси водорода и кислорода внутри отсека
688
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
выделения энергии) внутри топливного бака, и эта зависимость не монотонна. Для
самого медленного (горение) и самого быстрого (детонация) режимов высвобожде-
ния энергии число образовавшихся фрагментов меньше, чем для промежуточного
режима, т. е. для перехода горения в детонацию. Максимальные скорости фраг-
ментов и время, прошедшее от зажигания до разрушения, для этих режимов приведе-
ны в табл. 2.5.2.
Таблица 2.5.2
Параметры процесса разрушения
Параметр Горение Переход Детонация
Время процесса, мс 7017 4272 1029
Максимальная скорость разлета фрагментов, м-с"1 900 2 500 1000
Еще одна серия численных тестов была посвящена исследованию так называемых
параметров подобия для разрушения топливных баков. В работе [21] был предложен
параметр подобия р^г^/И=А = const, причем в [21] предполагалось, что одинаковые
значения параметров подобия приводят к подобным функциям распределения числа
фрагментов и их скоростей по массе. Это означает, что для крупных фрагментов их
число растет пропорционально объему материала оболочки.
Были проведены расчеты для начальных данных эксперимента ESOC-2, но с про-
порционально увеличенными размерами радиуса и толщины оболочки: г = 120 см,
h = 2 мм. Это увеличение размеров сохраняет величину параметра подобия Л. Рез-
ультаты показали, что число фрагментов увеличилось почти на порядок вопреки
предсказанию [21]. Увеличение скорости разлета фрагментов составило более 20%.
Объем оболочки увеличился в 16 раз, но масса самых крупных фрагментов - только в
8-9 раз вопреки прогнозу.
Таким образом, можно заключить, что для такого сложного явления, как разру-
шение топливных баков, не может существовать простых параметров подобия, и экс-
траполяция данных экспериментов по модельным бакам на реальные конструкции
другого размера является весьма сложной процедурой. Для приложения результатов
модельных экспериментов к реальным топливным бакам необходимо использовать
общие теоретические модели, а не простое изменение шкалы параметров.
2.5.1.4. Разрушения, вызванные неравномерным нагружением
Большинство орбитальных взрывов не являются следствием равномерной нагруз-
ки на стенки отсеков. Некоторые взрывы были вызваны случайным перемешиванием
компонентов высокочувствительного ракетного топлива в баках вторых ступеней,
остававшихся на орбите значительное время после запуска [16-20]. Такие условия
для взрывов возникают из-за того, что по окончании работы ступеней расход горюче-
го и окислителя прекращается, однако часть топлива в баках остается как резервный
запас. Смешивание и воспламенение компонентов происходит после повреждения
разделяющей баки перегородки. В этом случае энергия, выделяемая при горении, со-
ответствует не всей массе остающихся в баках компонентов, а массе вступившей в
ГЛАВА 2 5
РАЗРУШЕНИЯ КА В СТОЛКНОВЕНИЯХ С КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
689
контакт и самовоспламенившейся смеси. Такой тип горения был исследован в [11, 31].
Он приводит к неравномерному и иногда осциллирующему воздействию на стенки.
Сценарии фрагментации для равномерного и неравномерного нагружений могут
различаться. Разрушение при неравномерной нагрузке начинается в зонах макси-
мальных нагружений, где удовлетворяется критерий разрушения, а затем трещины
могут проникнуть в менее нагруженные участки оболочки. Вторая стадия разруше-
ния может быть вызвана этими трещинами, распространившимися из поврежденной
области. Таким образом, менее поврежденные области, где величина аккумулиро-
ванной упругой энергии меньше, при разрушении формируют более крупные облом-
ки. Неравномерности внутреннего нагружения дают различные спектры распределе-
ния масс фрагментов.
Численные исследования нагружения стенок и разрушения оболочки при диф-
фузионном горении в баках проводились для случая цилиндрического бака диа-
метром и длиной 1 м при толщине стенки \
25 см [11] Разрушение происходило, когда
в одном из участков оболочки диссипация
энергии превышала критическое значение
D*, определенное в независимых экспери-
ментах по разрушению образцов. Распре-
деление общего числа фрагментов по их
массам приведено на рис. 2.5.3а. Соответ-
ствующее распределение скоростей при-
ведено на рис. 2.5.36 в виде диаграмм, по-
казывающих минимальную, среднюю и
максимальную скорость.
Из рис. 2.5.3 видно, что график зависи-
мости числа фрагментов от их массы имеет
два максимума, и тот из них, который со-
ответствует крупным фрагментам, суще-
ственно отличается от изображенного на
рис. 2.5.2, полученного для равномерного
нагружения при детонации. Крупные фраг-
менты сформировались из менее нагру-
женных участков оболочки, а мелкие - из
зон с наибольшей плотностью аккумули-
рованной упругой энергии.
Распределение скоростей обломков
(рис. 2.5.36) показывает, что средняя ско-
рость для крупных фрагментов меньше,
чем для мелких Окончательная скорость
разлета для самых мелких обломков не
мм и отверстии в перегородке радиусом
Рис. 2.5.3. Диаграмма распределения
числа (а) и скоростей (б) фрагментов по
массам при разрушении цилиндрической
оболочки под воздействием внутреннего
несимметричного нагружения
зависит от их массы и практически посто-
янна, что находится в хорошем соответ-
ствии с распределением скоростей, приве-
денным в [15]. Снижение скорости для
690
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Кумулятивный поток фрагментов
Рис. 2.5.4. Кумулятивный поток
фрагментов в зависимости от их массы
в случаях симметричного (1)
и несимметричного (2) нагружения
Кумулятивный поток фрагментов
Рис. 2.5.5. Кумулятивный поток
фрагментов для случаев: орбитального
разрушения ракеты Delta (кружки) и
расчета с помощью EVOLVE (точки)
крупных фрагментов связано, прежде всего, с тем, что неравномерная нагрузка для
менее нагруженных областей приводит к меньшей аккумуляции как упругой, так и
кинетической энергии. При этом такие области и образуют только самые крупные
обломки.
Зависимость кумулятивного потока фрагментов от их массы приведена на
рис. 2.5.4. Кривая 2 соответствует рассмотренному случаю разрушения двухкамер-
ного цилиндрического бака диаметром 1 м, длиной 1 м и толщиной стенок 2 мм для
несимметричного нагружения при осциллирующем турбулентном горении. Для
сравнения рис. 2.5.4 содержит также расчетные данные о кумулятивном потоке
фрагментов для случая равномерного нагружения оболочки того же размера при
детонации кислородо-водородной смеси (кривая 1). Разность кумулятивных пото-
ков для одного и того же значения выделившейся энергии проистекает из-за раз-
личия режимов горения и нагрузки. Для сопоставления на рис. 2.5.5 приведены
данные о кумулятивном потоке фрагментов при разрушении последней ступе-
ни ракеты Delta, выводившей на орбиту спутник Himawari (кружки), и результаты
соответствующего расчета с использованием программы EVOLVE (точки) [32].
Качественное сравнение с рис. 2.5.4 показывает, что это разрушение было вызвано
скорее неравномерной нагрузкой при горении, чем взрывом высокой интенсив-
ности.
На основании результатов выполненных исследований можно констатировать,
что разработанные математические модели позволяют создать общий подход к мо-
делированию разрушения орбитальных объектов. Результаты в части функций рас-
пределения фрагментов и их скоростей качественно соответствуют существующим
моделям для различных типов разрушения и находятся в хорошем количественном
согласии с экспериментальными наблюдениями.
Разработанные модели разрушения, основанные на физических принципах, по-
зволяют решить и обратную задачу: определить возможный сценарий разрушения
по данным распределения количества и скорости фрагментов.
ГЛАВА 2.5
РАЗРУШЕНИЯ КА В СТОЛКНОВЕНИЯХ С КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
691
Разрушение газонаполненного или наполненного жидкостью отсека при высоко-
скоростном соударении имеет ряд специфических особенностей, которые будут рас-
смотрены ниже.
Исследования показали, что распределения числа, массы и скоростей фрагментов
зависят не только от общей энергии взрыва, но в значительной степени и от сценария
выделения энергии, причем не существует единственного параметра подобия, а про-
стое масштабирование результатов модельных экспериментов для решения пробле-
мы невозможно.
Разработанные подходы и методы решения задач фрагментации оболочек под
действием внутреннего нагружения могут быть эффективно применены и при реше-
нии других задач механики, не связанных с разрушениями в околоземном простран-
стве. Дальнейшее развитие разработанного подхода видится в обобщении его на слу-
чай трехмерной неосесимметричной задачи, а также в обобщении модели на случай
достаточно толстых оболочек, когда образующиеся фрагменты могут не содержать
граней, являющихся внутренними и внешними поверхностями. Определенные рабо-
ты в этом направлении уже ведутся [35, 36].
2.5.2. Высокоскоростное взаимодействие частиц космического мусора
с газонаполненными оболочками
Большинство КА содержат в качестве конструктивных элементов газонаполнен-
ные и жидконаполненные тонкостенные оболочки. Фрагментация газо- или жидко-
наполненных оболочек при высокоскоростном ударе имеет определенные особенно-
сти и существенно отличается от обычного пробивания препятствия или замкнутой
полой конструкции [11].
Главная цель данного раздела состоит в исследовании особенностей перехода ки-
нетической энергии облака осколков, образующегося в результате соударения час-
тицы КМ с оболочкой, в энергию газа, заполняющего оболочку, и возникающих на-
грузок на внутреннюю поверхность оболочки. Другая цель состоит в выяснении
вопроса, не является ли среда, заполняющая конструкцию, дополнительным «щи-
том», защищающим заднюю стенку оболочки от пробивания.
2.5.2.1. Модели разрушения при высокоскоростном соударении
Процесс фрагментации газо- или жидконаполненных оболочек при высокоскоро-
стном соударении с частицами КМ имеет несколько характерных стадий. На первой
стадии происходит фрагментация ударников (высокоскоростных частиц) и передней
стенки оболочки в зоне соударения, в результате чего формируется струя мелких ос-
колков, проникающая внутрь конструкции. Образование трещин, лепестков и выби-
тых пробок из передней стенки в зоне соударения обычно не приводит к разрушению
оболочки на первой стадии процесса. Затем высокоскоростное облако осколков фор-
мирует ударную волну в среде, заполняющей оболочку. В случае создания высокого
давления внутри оболочки, образовавшиеся на начальной стадии процесса трещины,
пробоины и лепестки «прорастают» по стенке оболочки, что в конечном счете может
привести к полному разрушению конструкции под действием внутреннего давления.
692
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХСИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Облако мелких осколков очень быстро замедляется в среде, заполняющей обо-
лочку. Торможение фрагментов пропорционально 1/г0 и растет с уменьшением ха-
рактерного размера фрагментов r0- С торможением осколков происходит переход их
кинетической энергии во внутреннюю энергию окружающего газа или жидкости, а
также разогрев самих осколков вплоть до плавления. Быстрое возрастание плотности
энергии в малом объеме среды, заполняющей конструкцию, аналогично локальному
взрыву. Высвобождающаяся энергия приводит к рождению расходящихся ударных
волн внутри оболочки, которые, отражаясь от стенок оболочки, создают их неодно-
родное динамическое нагружение.
Для исследования процессов торможения облака осколков, разогрева частиц и ок-
ружающей среды, дробления частиц и формирования ударных волн, приводящих к
переходу кинетической энергии облака осколков во внутреннюю энергию окружаю-
щей среды, необходимо использовать модели многофазных сплошных сред, учиты-
вающие взаимодействие фрагментов и газа, термохимическое и механическое разру-
шение фрагментов.
Математические модели для описания течений таких неравновесных полидис-
персных смесей и разрушения оболочек под действием динамических нагрузок
подробно описаны в работах [28-31,33-39,50-55]. При этом важную роль играет
моделирование процесса дробления капель, в которые могут превратиться в случае
плавления осколки проникающего элемента КМ и стенки оболочки.
Уравнение движения капель запишем в виде:
где т, - масса /-ой капли; vz - ее скорость; - сила, действующая на каплю и сла-
гающаяся в основном из силы сопротивления со стороны газа и стохастической
силы взаимодействия с турбулизованным газом. Предполагается, что параметры
газа оцениваются вблизи модельной капли. Подробное описание алгоритмов
выборки представительного ансамбля модельных частиц для описания полидис-
персного облака приведено в [37]. В дальнейшем индекс /, характеризующий час-
тицу, опускаем.
Традиционно стохастическая сила, действующая на частицу в газе, определя-
ется по Ланжевену: белый шум считается производным от винеровского процес-
са. Такое приближение используется, например, для описания броуновского дви-
жения. В нашем случае частицы значительно крупнее, чем те, которые участвуют
в броуновском движении. Поэтому считается, что хаотическое изменение траек-
торий частиц имеет иную природу. На броуновские частицы воздействуют флук-
туации молекулярного давления, а на частицы значительно более крупные - тур-
булентные пульсации газового потока вблизи частиц. Воздействие пульсаций
скоростей в газе трансформируется для фазы частиц в силу сопротивления, кото-
рая зависит от разности скоростей частиц и газа. Поэтому в нашем случае можно
определить стохастическую компоненту силы, воздействующую на каждую мо-
дельную частицу, посредством введения стохастической компоненты в скорость
газа вблизи частицы. В этом случае сила будет содержать как среднюю, так и
стохастическую компоненты. Обозначив через w стохастическую компоненту
ГЛАВА 2.5
РАЗРУШЕНИЯ КА В СТОЛКНОВЕНИЯХ С КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
693
скорости газа вблизи модельной частицы, а через и - скорость газа, получим сле-
дующий закон для силы fj:
f<z=|Q(2?e)p5vrelvrel> vrel=u + w-v, vrel =|vrel|,
где коэффициент сопротивления Q определяется следующим образом [49]:
Cd =-^(1 + 0,183^ + 1,72-10’2Ле)ру5к,
I 7 А ( А475 ( А175
₽,=J- 2--Ц к= — М , gw = p(7;,p),
V рД Р J I р ) I и )
k Y-i 2Д'1”0
1 + -—А/2 приА/<1,
р^-Д 2 J
р hL+l)M2
(у-ОЛ/Чг^ 2 2уМ2 - (у -1))
где локальные числа Рейнольдса и Маха равны соответственно Re = dvXQ\!v и
Л/= vrei /а. Здесь у - показатель адиабаты; ц, v - динамическая и кинематическая вяз-
кость соответственно; р - плотность газа; р - давление; d - диаметр капли; а -
локальная скорость звука в газе; индекс s относится к параметрам за ударной волной,
а индекс w - к параметрам на поверхности капли.
Концепция стохастического моделирования поведения отдельных фаз, основан-
ная на детальном исследовании локальных характеристик газовой фазы детермини-
стическими методами, изложена в работе [39].
Унос массы с частицы-капли описывается следующим выражением:
dm . Qi
---= -т = —
dt л;
где qj - поток тепла, расходуемый на испарение; h' - эффективная удельная энталь-
пия фазовых превращений.
Внутренняя энергия капли (частицы) изменяется за счет обмена теплом с окру-
жающим газом и за счет возможных фазовых превращений или химических реакций
на поверхности. Когда частицы облака разогреваются до температуры плавления и
превращаются в жидкие капли, динамическое взаимодействие с потоком газа приво-
дит к неустойчивости поверхности и распылению капель.
Критерий дробления капель определяется в предположении, что основной меха-
низм развития неустойчивости сферических поверхностей тот же, что и для плоских
внутренних границ раздела сред [40]. Существует два типа неустойчивости капель: в
случае различных тангенциальных скоростей и * uL, или при ускорении потока
dvL/dt>§. Наличие ускорений всегда является дестабилизирующим фактором для
капли как на фронтальной, так и на тыльной поверхности.
Проведенный в работах [41, 42] анализ многочисленных сценариев дробления ка-
пель показал, что среди них можно выделить два основных: дробление в результате
потери устойчивости и уноса массы, катастрофическое разрушение по типу взрывно-
го в ударной волне (в случае больших ускорений).
694
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Средний диаметр da капель, появляющихся в результате распыления исходных
капель диаметра d, может быть определен с помощью аппроксимационных формул
[23, 29, 42].
При моделировании распыления капель в потоке газа также необходимо учиты-
вать инерционность процесса. Дробление не происходит мгновенно: необходимо
время для того, чтобы исходная капля распалась на мелкие капельки, проходя стадии
установления жидких перетяжек между каплями, их удлинения и разрушения. Разде-
ление малой капли в потоке происходит под воздействием аэродинамических сил,
которым противодействуют силы поверхностного натяжения.
2.5.2.2. Результаты численного моделирования движения облака частиц
в газонаполненной оболочке
С помощью описанных математических моделей было проведено численное мо-
делирование процесса распространения облака частиц в газе, заполняющем тонко-
стенный цилиндрический контейнер. Рассматривалась цилиндрическая оболочка,
имеющая радиус 0,1 м, длину 0,2 м и толщину стенок 0,002 м. Пробой происходил в
торцевой части оболочки вблизи ее оси. Было принято, что в результате соударения
высокоскоростной частицы КМ с контейнером в нем было образовано отверстие
диаметром 0,01 м. В результате соударения из материала частицы и стенки контейне-
ра было сформировано облако мелких осколков, которые характеризуются средним
диаметром 3-10-4 м со стохастическим отклонением 5-10-5 м. Начальная температура
частиц равна 700 К со стохастическим отклонением 50 К. Максимальная скорость в
аксиальном направлении принята равной 1 900 м-с-1, средняя скорость - 1 500 м-с-1 со
стохастическим отклонением в 400 м-с-1. Средняя плотность материала частиц обла-
ка равна 2 000 кг-м-3, температура плавления 800 К , вязкость и поверхностное натя-
жение в жидком состоянии равны соответственно 10-3Н-с и 10-2Н-м-1. Начальное
давление газа внутри контейнера варьировалось от 0,01 МПа до 1,5 МПа, начальная
температура Го = ЗООК, молярная масса 0,028 кг-моль-1. Такие исходные данные
примерно соответствуют облаку осколков, которое образуется при ударе частицы,
имеющей диаметр 5-Ю-3 м и скорость 5 км-с-1.
Расчет проводился с использованием метода коррекции потоков [43]. На рис. 2.5.6
представлены данные о пространственном распределении и температуре модельных
частиц в облаке и распределении давления газа внутри контейнера для двух последо-
вательных моментов времени. Начальное давление в газе, заполняющем контейнер,
было довольно низким: р0 = 0,01 МПа (0,1 атм). Размеры кружков, показывающих
модельные частицы на рисунках, много больше их реальных размеров, но прямо
пропорциональны им.
Из рис. 2.5.6 видно, что облако осколков генерирует волны сжатия в газе, при
этом скорость облака частиц в аксиальном направлении существенно выше скорости
ударных волн в газе.
В случае относительно низкого начального давления газа в оболочке (ро = 0,1 атм)
ударная волна и облако частиц сталкиваются с дальней стенкой контейнера прак-
тически одновременно. Однако в результате дисперсии частиц в облаке площадь
задней стенки контейнера, подвергающаяся воздействию потока частиц, зна-
ГЛАВА 2.5
РАЗРУШЕНИЯ КА В СТОЛКНОВЕНИЯХ С КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
695
B<:ults for particles temperature dist, (butj ,n (K)
Mapping colors
I8.Z90e*002
?.Z4Ze>QQ2
6.194е4Э02
5.145e>GQ2
4.09?e>00Z
3.e48e*eQ2
(♦)
Hor : full
Рис. 2.5.6. Пространственное распределение и температура модельных частиц в облаке (слева)
и распределение давления газа внутри контейнера (справа) в моменты времени t = 76 мс (а)
и t = 214 мс (б) для случая низкого начального давления (р0 = 0,01 МПа)
чительно больше площади передней стенки, на которую приходится первона-
чальный удар.
Рис. 2.5.7. Рентгеновская
фотография облака
осколков при
высокоскоростном
пробивании пластины
Для сравнения на рис. 2.5.7 представлены результаты
эксперимента [44] по образованию облака осколков при
высокоскоростном пробивании двухслойной пластины
(4 мм титана и 1 мм вольфрама) сферическим алюминие-
вым ударником диаметром 10 мм. Скорость удара состав-
ляла 5,4 км-с-1, фотография соответствует моменту време-
ни t = 30,8 мс. Видно, что качественно характер распреде-
ления начальных скоростей частиц в облаке и
стохастические параметры, принятые при моделировании
облака осколков (рис. 2.5.6), вполне соответствуют ре-
зультатам эксперимента. Количественное же сравнение
едва ли возможно, поскольку преграда в эксперименте
была двухслойной.
На рис. 2.5.8 представлены аналогичные данные для
случая, когда начальное давление в газе, заполняющем
696
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Mapping color
|8.z%ie*eaz
7.Z4Ze*QGZ
»>.194e*G8E
S.145e*0GZ
i.697e*002
3.048e*00Z
(♦)
Hor : full
Uferf full
File.
b“006.zdt
Time =
7.6646e-0Q5
Code-?
Jlesults for pressure (Pal
Mapping lor
17.100г >006
5.040e*ee6
3.5?8e*606
г.54бе»ееб
1.804 е»006
I l.Z80e»006
Code
Jlesults for particlesr~temperature distribution (K)
Mapping colors
I8.Z9Qe*00Z
7.Z4Ze*00Z
6.194e»00Z
S.145e*00Z
4 037е*евг
З.е48е*8вг
!♦)
Ног : full
Uert: full
File:
b~02?.zdt
Time =
4.73Z8e-004
Code->
Hor : full
Uert: full
File:
Mapping colors
7.100+006
5.O40e*O06
3.5?8e+006
Z.540*606
1.804e*666
l.Z80e«0Of.
1.10Q5e-083
Hor . full
Uert: full
Code->
Рис. 2.5.8. Пространственное распределение и температура модельных частиц в облаке (слева)
и распределение давления газа внутри контейнера (справа) в моменты времени t = 76 мс (а),
t = 473 мс (б) и t = 1 100 мс (в) для случая высокого начального давления (р0 = I МПа)
контейнер, было довольно высоким: pQ = 1 МПа (10атм). Аэродинамическое тор-
можение и разогрев частиц в этом случае значительно больше, чем в первом, когда
pQ = 0,1 атм. На фронте входящего в контейнер облака частиц температура газа
превышает температуру плавления частиц. В результате на фронте облака проис-
ходит дробление частиц, превратившихся в жидкие капли. Это дробление обуслов-
ГЛАВА 2.5
РАЗРУШЕНИЯ КА В СТОЛКНОВЕНИЯХ С КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
697
лено их взаимодействием с окружающим газом, что хорошо видно на рис. 2.5.8а.
Заметим, что основная масса облака приходится на эти мелкие капли, и только ма-
лое число низкоскоростных частиц сохраняет свои начальные размеры.
Резкое торможение фрагментов в плотном газе приводит к ситуации, когда удар-
ная волна обгоняет облако фрагментов и отражается от дальней стенки контейнера, в
то время как фрагменты еще находятся в центральной области контейнера
(рис. 2.5.86). Мелкие капли тормозятся очень быстро и, соответственно, теряют свою
кинетическую энергию значительно быстрее, чем крупные фрагменты. Поэтому
крупные фрагменты, которые имели сначала более низкие скорости, затем догоняют
мелкие фрагменты (рис. 2.5.8в). В течение некоторого времени отраженная ударная
волна препятствует столкновению мелких капель с задней стенкой.
2.5.2.3. Моделирование нагружения поверхности газонаполненной оболочки
В случае, когда пробиваемый контейнер заполнен газом, часть кинетической
энергии фрагментов трансформируется в энергию окружающего газа, что приводит к
образованию ударных волн, взаимодействующих со стенками и приводящих к их
дополнительному нагружению. Таким образом, внутренняя нагрузка на стенки опре-
деляется непосредственным воздействием расширяющегося облака фрагментов и
давлением газа, которое возрастает при отражении ударных волн. В результате на-
груженной оказывается не ограниченная зона поверхности контейнера, а вся его
внутренняя поверхность. Это приводит к значительно более широкому спектру воз-
можных сценариев разрушения конструкции.
В зависимости от вида нагружения и прочности материала конструкции возмож-
ны три различных сценария. Интенсивная неоднородная внутренняя нагрузка может
привести к разрушению всего контейнера, как если бы произошел взрыв внутри кон-
струкции. Анализ такого сценария дан выше в разд. 2.5.1, а также в работах
[И, 14, 30-35]. Двойное воздействие ударными волнами и частицами может привес-
ти только к пробиванию задней стенки контейнера, на которую приходится макси-
мальное совокупное воздействие. Зона нагружения и распределение нагрузок естест-
венно зависят от плотности газа внутри контейнера. И, наконец, третий сценарий
возможен, когда происходит такое перераспределение нагрузки на контейнер и рез-
кое торможение частиц под действием аэродинамических сил, что суммарное воз-
действие на оболочку не превосходит ее предела прочности, и ее задняя стенка оста-
ется неповрежденной.
Для нахождения условий, при которых все три сценария могут иметь место, не-
обходимо исследовать внутреннюю нагрузку во всех этих случаях. Приращение ло-
кального давления на оболочку может быть рассчитано по следующей формуле:
Av(p) = p-p0 + У -п)/т.,т. =—,
;=i cs
где cs - скорость звука в материале оболочки; т* - характерное время деформирова-
ния; h - толщина оболочки; V; - масса и скорость z-го фрагмента; п - единичный
вектор внешней нормали; N(t, т*) - число частиц, сталкивающихся со стенкой в тече-
ние промежутка времени (/, t + т*). Результаты анализа показали, что для однородного
облака число фрагментов N(t, т*) пропорционально времени т*.
698
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
На рис. 2.5.9 представлены профили приращения среднего давления на стенке
Av(p) в момент времени t = 1,2 мс с учетом воздействия ударов частиц по стенке для
различных начальных давлений газа, но для одного и того же облака осколков внутри
контейнера. Координата s отсчитывается по периметру стенок от центра дна, подвер-
гающегося удару, до центра второго дна. Вертикальные линии на рис. 2.5.9 указыва-
ют расположение сочленений донных и боковой поверхностей цилиндра.
Из рис. 2.5.9 видно, что в случае низкого начального давления газа (рис. 2.5.9а)
Рис. 2.5.9. Профили приращения среднего
давления на стенке контейнера для
различных начальных давлений газа:
1-0,01 МПа; 2 - 0,05 МПа; 3 - 0,5 МПа;
4-1 МПа; 5-1,5 МПа
максимальная нагрузка приходится на об-
ласть дальней стенки контейнера вблизи
оси симметрии. При более высоком на-
чальном давлении газа (рис. 2.5.96) прира-
щение давления распределено вдоль кон-
тейнера, но максимальные значения давле-
ния также достигаются в дальней части
контейнера. Максимум приращения давле-
ния р этом случае практически на порядок
меньше. При еще более высоком началь-
ном давлении газа (рис. 2.5.9в) картина
распределения нагрузки на поверхность
оболочки претерпевает еще большие из-
менения. Нагруженной относительно низ-
ким внутренним давлением оказывается
только область оболочки вблизи переднего
дна. При таких начальных давлениях /?0 все
фрагменты дробятся на мелкие капли и
быстро тормозятся, не оказывая воздейст-
вия на дальнюю стенку оболочки.
В случае отсека, заполненного жид-
костью, в зоне торможения из-за выделив-
шейся энергии формируется перегретое
расширяющееся газовое облако. Расшире-
ние паро-газового облака приводит к фор-
мированию расходящихся ударных волн.
Отражение ударных волн в жидкости от
упругих стенок происходит в форме волн
разрежения, формирующих зоны кавита-
ции около стенок. Коллапс этих зон кави-
тации обычно может приводить к разруше-
нию стенок.
Представленные выше результаты при-
водят к выводу, что газонаполненные кон-
тейнеры могут служить надежной защитой
КА от разрушительного воздействий час-
тиц КМ наряду с многослойной разнесен-
ной защитой [45-47].
ГЛАВА 2.5
РАЗРУШЕНИЯ КА В СТОЛКНОВЕНИЯХ С КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
699
ЛИТЕРАТУРА
1. Smirnov N.N. (Ed.) Space debris hazard evaluation and mitigation. Taylor&Francis Publ., London, 2002,208 p.
2. Chobotov V.A. (Ed.). Orbital mechanics. AIAA Education Series, Washington, D.C., 1996.
3. Chobotov V.A. Dynamics of orbital debris clouds and the resulting collision hazard to spacecrafts. FBIS,
Journal of the British Interplanetary Society, 1990, v. 43, No 5, pp. 187-195.
4. Kessler D.J. Collisional cascading: the limits of population growth in low Earth orbit. Advances in space Res.,
1991, v. 11, No 12.
5. YasakaT., Ishii N. Breakup in geostationary orbit: a possible creation of a debris ring. IAA-91-596. 42nd
Congress of the International Astronautical Federation, Montreal, October 5-11, 1991, pp. 1-12.
6. Reynolds R. Documentation of program EVOLVE: A numerical model to compute projections of the man-
made orbital debris environment. System Planning Corp. Tech. Rpt. OD91-002-U-CSP, 1991.
7. Чернявский Г.М., Назаренко А.И. Моделирование околоземного засорения космического пространства.
В кн.: Столкновения в космическом пространстве. Под ред. Масевич А.Г. М.: Космоинформ, 1995, с. 104-129.
8. Portee D.S.F., Loftus J.P. Orbital Debris: a Chronology. NASA/TP-1999-208856, Houston, 1999.
9. Krisko P. EVOLVE 4.0 preliminary results. Orbital Debris Quarterly News, 1999, v. 4, issue 1, pp. 6-7.
10. Хуторовский 3.H., Каменский С.Ю., Бойков B.E., Смелов В.Е. Столкновения космических объектов на
низких орбитах. В кн.: Столкновения в космическом пространстве. Под ред. Масевич А.Г. М.: Космо-
информ, 1995, с. 19-90.
11. Smirnov N., Nikitin V., Kiselev A. Peculiarities of space debris production in different types of orbital break-
ups. Proc. 2nd European Conf, on Space Debris, Darmstadt, 1997, pp. 465-471.
12. Smirnov N., Kiselev A., Lebedev V. Mathematical modeling of space debris evolution in low Earth orbits.
Proc. 19th Int. Symposium on Space Technology and Science, Yokohama, 1994, 94-n-28p.
13. Киселев А.Б. Простейшие математические модели разрушения космического аппарата при взрыве.
Вестник Моск, ун-та. Матем. Механ., 1993, № 4, с. 49-55.
14. Smirnov N.N., Nikitin V., Kiselev A. Gas explosions in confined volumes. Proc. Int. Symp. on Hazards, Pre-
vention and Mitigation of Industrial Explosions. Christian Michelsen Research AS, 1996, v. 2, pp. 515-561.
15. Chobotov V.A., Spencer D.B. Debris evolution and lifetime following an orbital breakup. Joum. Spacecraft,
v. 28, No 6, 1991, pp. 670-676.
16. Orbital debris from upper stage breakup. AIAA Proceedings of the Conference, 1987.
17. Inventory of orbiting hypergolic rocket stages. Technical memorandum SN-3-81-55. Technical planning offi-
ce, NASA-JSC, March, 1981.
18. Webster I.J., KawamuraT.Y. Precluding post-launch fragmentation of Delta stages. McDonnel Douglas
Space Systems Company Tech. Rept., 5.05.1992.
19. Investigation of Delta second stage on-orbit explosions. Report MDC-H0047, McDonnel Douglas Astronaut-
ics Company Huntington Beach, CA, 1982.
20. Su S.-Y., Kessler D.J. Contributions of explosions and future collision fragments to the orbital Debris envi-
ronment. Advances in Space Research, 1985, v. 5, No 2, pp. 25-34.
21. Fucke W. Fragmentation experiments for the evaluation of the small size debris population. Proc, of the First
European Conference on Space Debris ESA-SD-01, Darmstadt, 1993, pp. 275-280.
22. Smirnov N.N., Panfilov 1.1. Deflagration to detonation transition in combustible gas mixtures. Combustion
and Flame, Elsevier Publ. Co., 1995, v. 101, No 1/2, pp. 91-100.
23. Smirnov N.N., Tyumikov M.V. A study of deflagration and detonation in multiphase hydrocarbon-air mix-
tures. Combustion and Flame, Elsevier Publ. Co., 1994, v. 96, pp. 130-140.
24. Smirnov N.N. et al. Theoretical and experimental investigation of combustion to detonation transition in
chemically active gas mixtures in closed vessels. Journal of Hazardous Materials, 1996, 1801-8.
25. Киселев А.Б., Юмашев M.B. Деформирование и разрушение при ударном нагружении. Модель повре-
ждаемой термоупругопластической среды. Журнал Прикладной Механики и Технической Физики,
1990, т. 31, №5, с. 116-123.
26. Kiselev А.В. The Model of Thermoelastoplastic deformation and fracture of materials under multiaxial load-
ing. 4th Int. Conf. On Biaxial/Multiaxial Fatigue, St. Germain en Laye, France, 1994, v. 2, pp. 183-186.
27. Kiselev A.B. Mathematical modelling of dynamical deforming and combined microfracture of damageable
thermoelastoviscoplastic medium. Advances Methods in Material Processing Defects (SAM Series). Elsevier
Science В. V., Amsterdam, The Netherlands, 1997, pp. 43-50.
700
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
28. Smirnov N.N., Zverev N.L, Tyumikov M.V. Two-phase Flow behind a shock wave with phase transitions and
chemical reactions. Experimental Thermal and Fluid Science, 1996, No 13(1).
29. Смирнов H.H., Зверев И.Н. Гетерогенное Горение. М.: Изд-во Моск, ун-та, 1992, 446 с.
30. Киселев А.Б. Математическое моделирование фрагментации тонкостенных сферических оболочек под
действием динамического внутреннего давления. Вестник Моск, ун-та, 1996, т. 51, № 3, с. 52-60.
31. Smirnov N.N., Nikitin V.F. Unsteady-state turbulent diffusive combustion in confined volumes. Combustion
and Flame, 1997, v. 111, No 3, pp. 222-256.
32. Anz-Meador P.D., Potter A.E. Density and mass distribution of orbital debris. Acta Astronautica, 1996, v. 38,
No 12, pp. 927-936.
33. Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую природную
среду. Справочное пособие. Под общ. ред. Адушкина В.В., Козлова С.И., Петрова В.В. М.: Анкил, 2000.
34. Киселев А.Б. Простейшие математические модели разрушения космического аппарата при взрыве.
Прикл. механ. и техн, физика, 1995, № 2, с. 159-165.
35. Киселев А.Б. Математическое моделирование взрывного разрушения сферических оболочек с образо-
ванием двух фракций фрагментов. Вестн. Моск, ун-та. Матем. Механ., 1999, № 2, с. 41-48.
36. Киселев А.Б. Численное моделирование деформирования и разрушения при взрывном нагружении.
Препринт мех.-мат. факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 1996, № 6, 36 с.
37. Смирнов Н.Н., Никитин В.Ф., Легро Ж.К. Моделирование зажигания и горения турбулизованных пы-
левоздушных смесей. Химическая физика, 1999, т. 18, № 8, с. 62-86.
38. Фомин В.М., Гулидов А.И., Киселев А.Б. и др. Высокоскоростное взаимодействие тел. Новосибирск: Изд-во
СО РАН, 1999, 600 с.
39. Dushin V.R., Nikitin V.F., Smirnov N.N. et al. Mathematical modelling of particles cloud evolution in the atmos-
phere after a huge explosion. Proc, of 5th Int. Colloquium on Dust Explosions, Pultusk-Warsaw, 1993, pp. 287-292.
40. Birkhoff G. Hydrodynamics. Princeton, N.Y.: Princeton Univ. Press, 1960.
41. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 1, 2. М.: Наука, 1987.
42. Azzopardi B.J., Hewitt G.F. Maximum drop sizes in gas-liquid flows. Multiphase Sci. and Tech., 1997, v. 9,
pp. 109-204.
43. Оран Э., Борис Дж. Численное моделирование реагирующих потоков. М.: Мир, 1990.
44. Stilp A.J. Hypervelocity impact research. Proc. Second Europ. Conf, on Space Debris. Darmstadt, Germany,
1997, pp. 399-404 (ESA SP-393).
45. Christiansen E.L., Hom J.R., Crews J.L. Augmentation of orbital debris shielding for space station freedom.
AIAA 90-3665, Huntsville, AL, 1990.
46. Christiansen E.L. Advanced meteoroid and debris shielding concept. AIAA 90-1336, Baltimore, MD, 1990.
47. Cour-Palais B.G., Crews J.L. A multi-shock concept for spacecraft shielding. Int. J. Impact Enging., 1990, v. 10,
pp. 135-146.
48. Киселев А.Б. Модель фрагментации при высокоскоростном соударении частиц космического мусора.
Вестн. Моск, ун-та. Матем. Механ., 2001, № 3, с. 50-55.
49. Kessler D., Cour-Palais В. Collision frequency of artificial satellites: creation of debris belt. J. of Geophysical
Research. 1978, v. 83, A6.
50. Киселев А.Б., Юмашев М.В. О критериях динамического разрушения термоупругопластической сре-
ды. Вестн. Моск, ун-та. Матем. Механ., 1990, № 4, с. 38-44.
51. Smirnov N.N., Nazarenko A.I., Kiselev А.В. LEO technogeneous contaminants evolution modeling taking
into account satellite’s collisions. Space Debris 2000. Sc. & Technol. Series American Astronaut. Society,
2001, v. 103, pp. 99-112.
52. Смирнов Н.Н., Киселев А.Б., Назаренко А.И. Математическое моделирование эволюции космического
мусора на низких околоземных орбитах. Вестн. Моск, ун-та. Матем., механика, 2002, № 4, с. 34-42.
53. Smirnov N.N., Nazarenko A.I., Kiselev А.В. Continuum model for space debris evolution with account of
collisions and orbital breakups. Space Debris Joum., 2004, No 2 (2000), pp. 249-271.
54. Смирнов H.H., Киселев А.Б., Никитин В.Ф. К исследованию высокоскоростного взаимодействия эле-
ментов космического мусора с газонаполненными оболочками. Вестн. Моск, ун-та. Матем. Механ.,
2003, № 1,с. 54-66.
55. Смирнов Н.Н. Эволюция космического мусора в околоземном космическом пространстве. Успехи ме-
ханики, 2002, т. 1, № 2, с. 37-104.
ГЛАВА 2.6
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК И ЭФФЕКТОВ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Плохих А.П.
Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики
Список сокращений
БЭК безэховая камера
БЭВК безэховая вакуумная камера
ДОР диаграмма обратного рассеяния
НПО искусственное плазменное образование
КА космический аппарат
РПМ радиопоглощающий материал
РПП радиопоглощающее покрытие
РЭС радиоэлектронные средства
СВЧ сверхвысокие частоты
СПД стационарный плазменный двигатель
У О уголковый отражатель
ЭМС электромагнитная совместимость
ЭПР эффективная поверхность рассеяния
ЭРД электроракетный двигатель
ВВЕДЕНИЕ
В условиях космического пространства плазменные струи электроракетных дви-
гателей (ЭРД) приводят к сложным процессам поглощения, рефракции и дифракции
электромагнитных волн, используемых в связных и радиолокационных каналах.
Кроме того, в общем случае присутствует собственное электромагнитное излучение
ЭРД, воздействующее на бортовые системы космических аппаратов (КА), как через
внешнюю среду, так и через внутренние кабельные линии. Указанные эффекты
должны количественно учитываться при проектировании КА, что требует разработки
методов и средств для лабораторного исследования радиофизических характеристик
ЭРД и их плазменных струй в наземных условиях.
702
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
В настоящее время в ракетно-космической отрасли накоплен большой опыт по
отработке радиотехнической аппаратуры в условиях наземных полигонов, оснащен-
ных специализированными безэховыми камерами (БЭК). На таких полигонах выпол-
няются практически все виды радиоизмерений, в частности измерения параметров
антенн, характеристик рассеяния радиолокационных целей, испытания радиотехни-
ческих комплексов различного назначения на электромагнитную совместимость
(ЭМС) и т. д. Измерения производятся при нормальном атмосферном давлении в
предположении, что в условиях полигона реализуются электрофизические свойства
«свободного пространства». Плазменные ускорители и ионные инжекторы, а также
ЭРД на их основе [1] не могут пройти традиционную аттестацию непосредственно в
обычных БЭК. Проблема заключается в том, что, во-первых, принцип работы этих
устройств основан на инжекции неравновесной плазмы в безвоздушное окружающее
пространство, а во-вторых, искусственная плазменная среда, обладающая индивиду-
альными электрофизическими свойствами и являющаяся источником излучения (за
счет различных типов неустойчивостей), комплексно воздействует на электродина-
мические характеристики самого КА и его радиосистем. Все это предъявляет допол-
нительные требования к условиям испытаний ЭРД и метрологии при проведении
радиофизических исследований. Таким образом, исследования воздействий искусст-
венных плазменных образований (НПО) на характеристики бортовой аппаратуры в
наземных условиях представляют собой важную научно-техническую задачу, до
конца не решенную в настоящее время.
Данная глава посвящена вопросам лабораторного исследования в наземных усло-
виях радиофизических характеристик и эффектов электродинамического воздействия
ЭРД. На примере установки, разработанной в НИИ ПМЭ, рассматриваются общие
принципы построения безэховых вакуумных камер (БЭВК) и измерительной аппара-
туры для исследования излучения и отражающих свойств объектов при наличии
плазменных струй ЭРД, приводятся методики и результаты экспериментального ис-
следования различных модельных задач. Большое внимание уделено методикам из-
мерения собственного излучения ЭРД в лабораторных условиях, включая оценку его
характеристик направленности. Представленные в этой главе данные могут служить
основой для последующей разработки нормативных документов и стандартов по
ЭМС для ЭРД.
2.6.1. Моделирующие стенды для исследования радиофизических
характеристик электроракетных двигателей в наземных условиях
2.6.1.1. Экспериментальная база
Учитывая, что нормальная работа источников плазмы возможна в вакууме не ху-
же 10~4 торр, для проведения радиофизических измерений необходимо обеспечить
как требуемую безэховость (фиксированный уровень паразитных отражений в изме-
рительном объеме), так и необходимый уровень вакуума. Это может быть достигнуто
разными способами. Так, в качестве первых шагов в этом направлении известен
метод прямого моделирования при инженерных испытаниях японского спутника
ГЛАВА 2.6
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
703
ETS III [2]. В стандартной атмосферной БЭК устанавливался ЭРД, к соплу которого
пристыковывалась компактная вакуумная камера из «радиопрозрачного» материала
(пластик, стекло), соединенная с откачной системой, расположенной вне БЭК. Изме-
рения электрических и магнитных полей, создаваемых двигателем, производились
стандартной аппаратурой при атмосферном давлении. Несмотря на хорошее методи-
ческое и метрологическое сопровождение, полигоны этого типа не получили широ-
кого распространения из-за высокой стоимости и трудности оценки погрешностей,
связанных с влиянием «радипрозрачных» стенок вакуумной камеры на характер рас-
пространения радиоволн и на динамику истечения плазменной струи в замкнутом
объеме.
В начале 1990-х годов, в период выхода на международные рынки российских
ЭРД, интерес к этой проблеме активизировался (законодателем в области измерений
стал исследовательский центр NASA LEWIS). Исследования собственного излучения
ЭРД проводились по упрощенной схеме в металлических вакуумных камерах без
поглощающих покрытий (рис. 2.6.1) с использованием специально подготовленной
аппаратуры [3]. При этом ЭРД устанавливался по оси вакуумной камеры, а измери-
тельные антенны, перекрывающие исследуемый частотный диапазон, - в задней по-
лусфере двигателя на расстоянии 1 м от центра его сопла (за основу взяты нормативы
стандарта измерений ЭМС, например, MIL-STD-461B). Не критикуя явные недостат-
ки такого подхода (наличие отражений от металлических стенок вакуумной камеры),
отметим, что на подобных стендах за несколько лет прошли испытания практически
все модели коммерческих ЭРД (в том числе и российских), а полученные результаты
послужили основой их квалификационных характеристик. Сам факт того, что шумы
ЭРД, фиксируемые по этой схеме измерений, как правило, удовлетворяли стандартам
ЭМС США для внеполосных помех (MIL-STD-461B и MIL-STD-462), не вызвал не-
обходимости совершенствования методики измерений, которая в таком виде исполь-
зуется разработчиками ЭРД и сейчас.
В ряде задач, связанных с исследованием прохождения радиоволн при наличии
ИПО, создаваемых, например, выхлопными струями ЭРД, необходимо количествен-
Рис. 2.6.1. Вакуумная камера исследовательского центра NASA
704
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
но оценивать такие известные физические эффекты, как поглощение, отражение и
рассеяние радиоволн. С учетом большого динамического диапазона изменения ха-
рактеристик электромагнитных волн при этих процессах адекватное измерение таких
эффектов возможно только в БЭВК.
В этом случае вакуумная камера имеет стенки, покрытые радиопоглощающими
материалами (РПМ), не влияющими на качество вакуума, а измерения электрических
и магнитных полей производятся в вакуумной среде [4]. Однако в условиях вакуума
обеспечить требуемую безэховость затруднительно как из-за отсутствия широкопо-
лосных поглощающих покрытий (перекрывающих весь измерительный диапазон),
так и из-за нестабильности их свойств в вакууме (обильное газовыделение).
2.6.1.2. Классификация измерений в БЭВК
Как и в обычных БЭК, в БЭВК гарантированный малый уровень отраженного
сигнала при проведении измерений обеспечивается, как правило, не во всем объеме
камеры, а лишь в ее части, называемой безэховой зоной. Зону расположения антенн и
источников излучения в БЭВК традиционно будем называть зоной излучения. При
этом расстояние между зонами излучения и безэховости характеризует длину линии
связи, реализуемую в БЭВК.
Все многообразие измерений, проводимых в БЭВК (так же, как и в обычных
БЭК [5]), можно разделить на следующие группы:
• измерения, при которых передающая антенна может быть расположена вне
зоны безэховости и в процессе измерений перемещается в пределах заданной
зоны излучения (это наиболее общий случай, при котором может изменяться
фаза интерферирующих сигналов, отраженных от любой части ограничи-
вающей БЭВК поверхности);
• измерения, при которых источник излучения, находящийся вне зоны безэхово-
сти, в процессе измерения не перемещается в пространстве камеры (как прави-
ло, используется для измерения диаграмм направленности антенн, в том числе
при наличии в их апертурах плазменных образований);
• измерения, когда источник излучения располагается внутри безэховой зоны
камеры, причем зоны излучения и безэховости могут совпадать (к таким изме-
рениям относятся измерения по ЭМС различных радиосистем, измерение
ближнего поля больших антенн при наличии в апертурах плазменных образо-
ваний для определения их диаграмм направленности);
• измерения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) и диаграммы обратного
рассеяния (ДОР) объектов, характеризующиеся наличием совпадающих зон из-
лучения и безэховости (основной зоны для измерительной аппаратуры) и вспо-
могательной зоны, где расположен испытуемый объект.
Характеристики БЭВК зависят от нескольких факторов, основные из которых -
форма, размеры и качество применяемого РПМ. При этом следует учитывать сле-
дующие специфические ограничения:
• цилиндрическую форму типовых вакуумных камер;
• ограниченность рабочего объема камеры ресурсом и производительностью от-
качной системы;
• применение РПМ, совместимых с вакуумом.
ГЛАВА 2.6
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
705
Длина БЭК во многих случаях определяет длину линии связи, необходимой при
измерениях. Как известно [5], длина линии связи R для измерения диаграмм направ-
ленности антенн и ЭПР рассеивателей определяется выражением:
R>nD2/X, (2.6.1)
где D - раскрыв испытуемой антенны или рассеивателя; п - коэффициент, выбирае-
мый в пределах 2-8; X - длина волны.
В свою очередь, поперечные размеры, как правило, определяются условиями
обеспечения необходимой безэховости. При определении минимальных поперечных
размеров учитывается условие, при котором углы падения 0 поля на продольные по-
верхности камеры не должны превышать максимальный угол 0тах, оговоренный в
документации на РПМ. В этом случае ширина камеры определяется соотношением:
H>7?/tg0max + A//, (2.6.2)
где АЛ - максимальная величина поперечных перемещений антенн.
Для типовых РПМ 0тах = 50-65°, следовательно, минимальная ширина камеры ле-
жит в пределах:
Н > (0,84 - 0,47)7? + АЛ. (2.6.3)
2.6.1.3. Радиопоглощающие материалы
РПМ для БЭВК должны обладать следующими свойствами:
• обеспечивать поглощение электромагнитной энергии за счет активных потерь в
толще материала;
• обеспечивать малые отражения электромагнитного поля от поверхности;
• структура материала должна исключать пористость и наличие наполнителей с
высоким уровнем газовыделения;
• структура материала должна быть стойкой к осаждаемым частицам рабочего
тела источников плазмы и позволять проводить многократную очистку по-
верхности.
В качестве РПМ применяют материалы как с диэлектрическим (за счет омических
потерь), так и с магнитным поглощением (на основе ферромагнитных материалов).
Для БЭВК целесообразно применять только РПМ последнего типа, так как, во-пер-
вых, они могут эффективно поглощать при толщинах, много меньших длины волны,
а во-вторых, обладают наибольшей широкодиапазонностью [5]. Кроме того, ферри-
товые композиции не горючи, работают при больших плотностях потока мощности
(до 3 Вт-см-2) и после соответствующей дополнительной обработки обладают прием-
лемым газовыделением в вакууме.
Часто в покрытиях на ферромагнитной основе дополнительное снижение отраже-
ний достигается за счет придания поверхности покрытия формы периодичной струк-
туры с использованием пирамидальных элементов. Следует отметить, что РПМ пи-
рамидальной формы хорошо согласованы со «свободным пространством» и имеют
высокие рабочие характеристики за счет многократного переотражения падающей
электромагнитной волны между стенками пирамид. Такие материалы имеют малый
коэффициент отражения в широком диапазоне частот, однако с увеличением угла
706
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
падения коэффициент отражения начинает увеличиваться - особенно это заметно,
если угол падения превышает 50-60°. К особенностям ферромагнитных РПМ следует
отнести большой вес панелей (1 м2» 100 кг) и необходимость тщательной подгонки
при монтаже.
2.6.1.4. Характеристики и примеры технической реализации БЭВК
В качестве основной характеристики, описывающей качество БЭВК, как правило,
используется коэффициент безэховости [5], определяемый для заданной точки
безэховой зоны БЭВК по формуле:
АГб= 101ё(Ррас/Рпад), (2.6.4)
где Ррас - поток мощности, рассеянный камерой; Рпад - поток мощности, пришедший
от излучателя.
Этот коэффициент фиксируется во всем рабочем диапазоне частот и во всей без-
эховой зоне БЭВК, под которой понимается объем, где К6 меньше заданного значе-
ния. Для определения К6 разработаны различные методы [5].
Основные принципы построения БЭВК были реализованы на базе установки
У-2В, входящей в состав экспериментальных стендов МАИ [6]. Установка У-2В
предназначена для исследования ускорителей плазмы мощностью до 300 кВт (мак-
симальное напряжение разряда 750 В, максимальный ток разряда 1000 А) в условиях
высокого вакуума. Установка состоит из вакуумной камеры с системой откачки, сис-
тем подачи рабочего тела, электроводообеспечения и приборно-измерительного ком-
плекса контроля технологических параметров. Цилиндрическая вакуумная камера
диаметром 2 м и длиной 6 м изготовлена из немагнитной стали, имеет охлаждаемые
стенки и снабжена двумя шиберными затворами. В камере обеспечивается вакуум
~105 торр при неработающем изделии и не хуже 2-10-4 торр в режиме работы. Внеш-
ний вид установки представлен на рис. 2.6.2.
Рис. 2.6.2. Вакуумная камера экспериментального стенда МАИ
ГЛАВА 2.6 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
707
Рис. 2.6.3. Расположение РПП внутри
вакуумной камеры
С учетом размеров камеры в качестве рабо-
чего был выбран сантиметровый диапазон
длин волн. В качестве РПМ было применено
отечественное радиопоглощающее покрытие
(РПП), обеспечивающее в диапазоне длин волн
3-50 см коэффициент отражения -(10-20) дБ.
Основу БЭВК составила разборная каркас-
ная конструкция с элементами крепления РПП,
устанавливаемая на внутренней поверхности
вакуумной камеры. Плиты РПП размером
500 x500 мм располагаются по поперечному
сечению камеры наклонно, образуя 12-гранник
(рис. 2.6.3). Из двух торцевых стенок вакуум-
ной камеры по технологическим соображениям
РПП покрывается только одна. Такой тип ка-
мер называется полуоткрытым, и результаты
измерений в них при определенных условиях практически адекватны измерениям в
полностью закрытых камерах [7, 8]. Исследуемый объект размещается на оси камеры
на равном расстоянии от ее боковых стенок в непосредственной близости от торце-
вой стенки, облицованной РПП.
2.6.1.5. Определение безэховости БЭВК
Для определения безэховости БЭВК использовался метод наложения диаграмм
направленности [5], который заключается в предварительном снятии диаграмм на-
правленности измерительной антенны в разных точках безэховой зоны БЭВК. Затем
диаграммы направленности накладывают друг на друга, выбирают среднюю диа-
грамму, определяют уровень, на котором разброс наибольший, и далее по этому раз-
бросу и уровню диаграммы с помощью номограмм (Бакли или Галагана [5]) опреде-
ляют коэффициент безэховости Кб.
При определении Кб разработанной
БЭВК использовалась измерительная ру-
порная антенна с азимутальным вращени-
ем, позволяющая снимать ее диаграмму
направленности в горизонтальной плоско-
сти в диапазоне углов ±90°. На рис. 2.6.4 в
увеличенном масштабе показан результат
наложения 5-ти диаграмм для наиболее
плохого случая.
Как видно из рисунка, максимальный
разброс (4 дБ) находится в районе углов
-15°, что соответствует среднему уровню
-10 дБ. Использование номограммы Гало-
тана [5] дает для указанного разброса ве-
личину -12 дБ. Суммируя найденную ве-
Рис. 2.6.4. Наложение диаграмм
направленности измерительной антенны
708
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
личину со средним уровнем, получим значение коэффициента безэховости -22 дБ.
Полученное значение Кб не столь высоко по сравнению с обычными БЭК, но оно
подтверждает принципиальную возможность обеспечения в типовых вакуумных ка-
мерах режимов безэховости, достаточных для проведения адекватных радиофизиче-
ских измерений.
Таким образом, показано, что для исследования радиофизических характеристик
и эффектов электродинамического воздействия ЭРД необходимы разработка и созда-
ние специализированных БЭВК, обладающих заданными характеристиками безэхо-
вости в условиях высокого вакуума. На примере вакуумного стенда У2-В МАИ рас-
смотрены основные принципы построения БЭВК и представлен вариант конструкции,
обеспечивающий коэффициент безэховости рабочей зоны не хуже -(22-25) дБ.
2.6.2. Экспериментальное исследование характеристик апертурных
отражателей при наличии плазменных образований
Отражатели радиоволн находят широкое применение в системах связи и радиоло-
кации. Теоретическое обоснование их работоспособности и применимости хорошо
известно [8-10]. Однако развертывание отражательных конструкций на современных
КА сталкивается с рядом особенностей, связанных, в частности, с возможностью по-
падания в апертуру отражателя плазменных струй ЭРД.
Наличие в апертуре отражателя неоднородной плазменной среды может менять
его отражающие характеристики. Отсутствие хорошо разработанной теории в этом
направлении вынуждает в основном опираться на результаты экспериментальных
исследований, количество которых весьма ограничено. В данном разделе приводится
один из подходов моделирования в наземных условиях процессов взаимодействия
электромагнитных волн с апертурными отражателями при наличии в их раскрыве
ИПО.
Для проведения экспериментов использовалась описанная выше БЭВК на базе ус-
тановки У-2В МАИ [6], оснащенная необходимой приемо-передающей аппаратурой.
2.6.2.1. Методика измерений
Измерительный комплекс, предназначенный для дистанционного измерения ДОР
модельных объектов, размещенных в БЭВК, включает в себя приемо-передающий
модуль (ППМ), блок питания и управления и по-
воротное координатное устройство с датчиком
угловых перемещений. Блок-схема ППМ пред-
ставлена на рис. 2.6.5. Передающий тракт содер-
жит генератор СВЧ 1, модулятор 3, импульсный
генератор 2 и передающую антенну 4. Импульс-
ный генератор обеспечивает частоту следования
импульсов 1 кГц при скважности 0,5. Приемный
тракт состоит из приемной антенны 5, детектор-
ной секции 6 и узкополосного предварительного
Рис. 2.6.5. Блок-схема
приемо-передающего модуля
ГЛАВА 2.6 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
709
усилителя 7. Предварительный усилитель настроен на первую гармонику частоты
следования импульсов.
В основу измерений положен модуляционный метод, использующий низкочас-
тотную импульсную модуляцию монохроматического зондирующего сигнала им-
пульсами большой длительности (квазинепрерывный режим) с последующим прие-
мом и выделением первой гармоники отраженного сигнала. Такой подход невыгоден
энергетически, но позволяет достаточно просто избавиться от влияния дрейфа посто-
янной составляющей тока в измерительной цепи.
Развязка передающего и приемного трактов, а также предварительная компенса-
ция «фона», вызванного паразитными отражениями от стенок камеры, достигаются
подбором взаимного положения приемной и передающей антенн, оси которых на-
правлены в фиксированную точку пространства, расположенную в центре безэховой
зоны. В качестве приемной и передающей антенн используются пирамидальные ру-
поры с раскрывом 12x6 см. Формально такая схема расположения антенн соответст-
вует бистатическому случаю зондирования с малым угловым разносом. В этом слу-
чае бистатическая ЭПР практически совпадает с моностатической [9].
В качестве отражателя был выбран трехгранный уголковый отражатель (УО) с
размером грани в апертуре 40 см. К его достоинствам следует отнести простоту кон-
струкции, большое значение ЭПР при минимальных размерах и относительно слабую
направленность [9].
Для исследования влияния плазмы на общий вид ДОР У О использовалась экспе-
риментальная установка, блок-схема которой представлена на рис. 2.6.6 [6]. При этом
У О подвешивался в вакуумной камере с помощью диэлектрического шнура, что зна-
чительно снижало требования к нижней опоре, выполняющей роль нижней растяжки
Рис. 2.6.6. Блок-схема экспериментальной установки
710
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Угол визирования, град.
Рис. 2.6.7. ДОР УО для разных дистанций от ППМ:
1 - 2 м; 2 - 2,5 м; 3 - 3 м; 4 - 3,7 м
и изготовленной из диэлектрического стержня диаметром 10 мм. Поворот УО вокруг
вертикальной оси осуществлялся с помощью электродвигателя, связанного через ре-
дуктор с нижней опорой. Снятие ДОР производилось путем измерения уровня отра-
женного сигнала на выходе приемника для различных ракурсов облучения.
Предварительно, с целью определения границ «дальней зоны», были сняты
ДОР калибровочного УО для различных расстояний от ППМ, представленные на
рис. 2.6.7. Следует отметить, что в общем случае пространственная моностатическая
индикатриса УО на линейной поляризации и параллельном приеме в пределах одного
октанта состоит из основного (трехкратного отражения) и 6 боковых лепестков: трех
(двукратного отражения) и трех (однократного отражения) [9]. При заданной геомет-
рии зондирования У О (вращение в горизонтальной плоскости) проявляются только 3
лепестка (один - трехкратного отражения и два - двукратного), что и наблюдается на
рис. 2.6.7. Результаты пронормированы к максимальному значению ДОР УО для
дальности 2 м. Из графиков видно, что с ростом расстояния уменьшается изрезан-
ность главного лепестка, а уровень боковых лепестков падает, приближаясь к теоре-
тическому значению. При этом угловое положение максимумов боковых лепестков
не меняется и сосредотачивается в диапазоне углов ±40° (по теории ±39,16°). На мак-
симальном расстоянии 3,7 м точность определения максимума ДОР составляет 10%
при ошибке в оценке уровня боковых лепестков порядка 27%. Это позволяет считать,
что на расстояниях более 3 м критерий «дальней зоны» практически выполняется, и
результаты, полученные при наличии плазмы, могут быть адекватно интерпретиро-
ваны.
Источником ИПО в экспериментах служил торцевой холловский ускоритель
(ТХУ), использующий в качестве рабочего тела ксенон. Нужный режим разряда в
ТХУ устанавливался регулировкой напряжения питания и подачей ксенона. При про-
ведении экспериментов использовались три характерных режима работы ТХУ: N1
(ток 160 А, расход 21 мг-с"1), N2 (ток 130 А, расход 16 мг-с"1), N3 (ток 60 А, расход
5 мг-с"1).
ГЛАВА 2 6
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
711
Для исследования влияния плазменных об-
разований на отражающие свойства У О был (
изготовлен рабочий макет УО, полностью
идентичный по габаритам калибровочному, но ™
технологически интегрированный с источни-
ком плазмы ТХУ устанавливался в тыловой
части УО, а струя плазмы инжектировалась в ^5*
раскрыв через специальные вырезы (60 х 60 мм) *
в двух вертикальных гранях УО. Общий вид
конструкции УО с ТХУ показан на рис. 2.6.8.
За счет дополнительной регулировки МОЖНО Рис. 2.6.8. Общий вид конструкции
УО с ТХУ
было менять угол инжекции плазменной струи
в апертуру УО от 0 до 15°.
В ходе подготовки и проведения экспериментов были выявлены дополнительные
факторы, влияющие на точность измерения. Среди них - тепловое расширение моде-
ли УО при инжекции плазмы в апертуру, наводки в кабельной системе, вызванные
работой ТХУ, и наличие на объекте дополнительных измерительных датчиков, на-
пример, зондов для измерения концентрации электронной компоненты.
Для учета этих факторов были выполнены различные тестовые измерения, позво-
лившие определить потенциальную точность и с целью ее повышения внести необ-
ходимые изменения в конструкцию установки и отражателя.
2.6.2.2. Зондовые измерения концентрации электронов в апертуре УО
Учитывая, что при взаимодействии электромагнитных волн с плазмой основной
вклад дает только электронная компонента, именно ее распределение в апертуре У О
являлось объектом исследования. Зондовые измерения проводились с целью опреде-
ления пространственного распределения электронов в апертуре У О при инжекции в
нее струи плазмы ТХУ. Использовались цилиндрические электрические зонды [11],
защищенные от попадания на них частиц металла из плазмы с целью предотвраще-
ния увеличения площади зонда и снижения точности измерений.
Зонды устанавливались на одной из граней УО через перфорированные отвер-
стия. Каждый зонд допускал возможность перемещения по высоте относительно
плоскости грани УО. Координаты положения зондов определялись расстоянием L от
вершины грани и высотой Н над плоскостью грани.
Концентрация электронов Ne вычислялась по измеренному приращению тока Ы,
протекающего через зонд, при изменении потенциала Д£/по формуле [11]:
Ne =------7;|ас Т =----------—------, (2.6.5)
0,8^72^7;/w 1п(1 + Д///„ас)
где m - масса электрона; е - заряд электрона; 7нас - ток насыщения, 5 - площадь по-
верхности зонда.
В качестве примера на рис. 2.6.9 представлено распределение концентрации элек-
тронов в вертикальной плоскости У О, проходящей через биссектрису угла при вер-
шине нижней грани для режима N2, обладающего наиболее однородным распрсдслс-
712
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.6.9. Распределение концентрации электронов
в вертикальной плоскости У О
нием. На рисунке показаны также проекции линий равного уровня концентраций Ne
на базовую плоскость (1 - 1014 см-3; 2 - 3,16-1013 см*3; 3 - 1013 см*3; 4 - 3,16-1012 см*3;
5-Ю’2 см*3; 6-3,16-Ю11 см*3).
2.6.2.3. Радиофизические измерения
Для исследования отражающих свойств У О с плазменным образованием в рас-
крыве использовалась методика, описанная в [6] и реализованная в соответствии с
блок-схемой, представленной на рис. 2.6.6. Исследовались ДОР УО при инжекции в
его апертуру плазмы, создаваемой ТХУ, для трех указанных выше режимов работы.
Сравнение проводилось с ДОР УО без плазменного образования (кривая NO на
рис. 2.6.10).
Эффект влияния плазмы наблюдался практически на всех трех режимах работы
ТХУ, использовавшихся при измерениях. Степень влияния возрастала с увеличением
тока разряда и расхода рабочего тела.
Анализ ДОР У О при наличии плазменных образований в раскрыве выявляет сле-
дующие эффекты: уменьшение максимума главного лепестка (трехкратного отраже-
ния) и уменьшение максимумов и смещение боковых лепестков (двукратного отра-
жения).
Для объяснения указанных эффектов рассмотрим модель плазмы в виде неодно-
родной диэлектрической среды. В нашем случае частоты столкновений частиц в
плазме много меньше частоты зондирующей волны, поэтому диэлектрическую про-
ницаемость среды можно представить простым соотношением вида [12]:
£(7?,Ф,е)=1-^е^,<р,6), (2.6.6)
кр
где NC(R, ср, 0) - концентрация электронов в точке с полярными координатами R, ср,
0; R - расстояние от вершины УО до рассматриваемой точки; ср - азимутальный
угол; 0 - угол места в сферической системе координат, центр которой находится в
вершине УО; Аекр [см*3] = 1,11-1013/Х2 - «критическая» концентрация электронов
для зондирующей волны длиной X, выраженной в сантиметрах (для к = 3 см,
Л^екр= MHO'2 СМ’3).
ГЛАВА 2 6
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
713
Угол визирования, град.
Рис. 2.6.10. ДОР УО при наличии плазменных образований
для различных режимов
Как видно из формулы (2.6.6), с ростом концентрации электронов плазмы Ne ди-
электрическая проницаемость среды £ уменьшается, обращаясь в нуль при достиже-
нии значения Ne = NCKp- Это позволяет выделить в апертуре УО две пространствен-
ные области плазменного образования:
• область с отрицательными значениями £ (в эту область электромагнитная волна
проникнуть не может и испытывает полное отражение от границы - ее схема-
тичное сечение показано на рис. 2.6.11),
• область 1 > £ > 0 (в этой области электромагнитная волна распространяется с
малым затуханием, фазовой скоростью больше скорости света и испытывает
рефракцию). При этом искривление луча происходит в сторону областей с
большими значениями коэффициента преломления п (п « £1/2).
При формировании ДОР УО реализуются режимы трехкратного (например, луч
1 на рис. 2.6.11) и двукратного (например, луч 2) распространения лучей в объеме
всей апертуры. Учитывая высокую чувстви-
тельность УО к ортогональности граней, сле-
дует ожидать, что даже небольшая рефракция
в апертуре приведет к расфокусировке лучей
в направлении максимумов ДОР. А наличие
отражающих тел в раскрыве может умень-
шить эффективную апертуру практически до
нуля.
Результаты выполненных зондовых изме-
рений показали, что пространственная область
«критической» концентрации электронов при-
сутствует для всех исследуемых режимов и ее
граница по центру плоскости нижней грани
У О лежит в пределах 60-140 мм от вершины
(при высоте грани 282 мм). Таким образом, в
Рис. 2.6.11. Пояснения к траектории
лучей в УО
714
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Таблица 2.6.1
Радиофизические параметры для трех режимов
Режим (L = 175 мм) £ п Л^екр
N1 1,510" 0,864 0,929 0,135
N2 2,25-10" 0,787 0,890 0,203
N3 5-Ю10 0,955 0,977 0,045
апертуре У О формируется объемная отражающая поверхность сложной формы, ок-
руженная неоднородной диэлектрической средой (8< 1) и соизмеримая с размерами
апертуры (см. рис. 2.6.11).
Для сопоставления результатов измерения ДОР, пример которых приведен на
рис. 2.6.10, с зондовыми измерениями, в табл. 2.6.1 приведены полученные значения
электронной концентрации Ne на расстоянии 175 мм и нулевой высоте от грани для
трех режимов работы ТХУ и рассчитанные по ним радиофизические параметры.
Как видно из табл. 2.6.1, при значениях показателя преломления п порядка
0,89-0,929 в апертуре У О практически исключается прямолинейное распространение
электромагнитной волны, и режим трехкратного переотражения между гранями пол-
ностью нарушается, т. е. главный лепесток не формируется. Но уже при п = 0,977
плазма становится практически «прозрачной», и трехкратные переотражения проис-
ходят достаточно эффективно.
Снижение уровня боковых лепестков объясняется уменьшением эквивалентных
апертур соответствующих двугранных отражателей за счет их затенения пространст-
венной областью плазмы с критической концентрацией электронов.
Угловое смещение боковых лепестков связано с рефракцией падающих и отра-
женных лучей 2 (см. рис. 2.6.11) в области плазмы с 1 > 8 > 0. Причем за счет того,
что искривление лучей происходит именно в направлении областей плазмы с мень-
шей концентрацией (в сторону выхода из апертуры), боковые лепестки смещаются в
область меньших угловых значений. Для режима N2 характерно появление дополни-
тельных боковых лепестков ДОР при ракурсе 26°. По всей видимости, это связано с
тем, что вертикальная структура изоконцентралей (рис. 2.6.9) обеспечивает форми-
рование плоской границы зоны «критической» концентрации в областях, примы-
кающих к двухгранным отражателям. Это эквивалентно формированию на краях
апертуры модифицированных трехгранных отражателей, формирующих дополни-
тельные боковые лепестки общей ДОР.
Таким образом, на основе полученных экспериментальных данных можно сфор-
мулировать общий принцип учета влияния плазменных образований, находящихся в
раскрыве апертурных отражателей, основанный на экспериментальном определении
трехмерной «электронной» плотности плазмы. При этом граничная поверхность
«критического» слоя описывает металлизированное тело, внесенное в апертуру, а
последующие электронные слои эквивалентны слоям неоднородного диэлектрика с
известным распределением 8 < 1. Объединяя геометрию всех слоев с геометрией
апертуры отражателя, можно сформулировать граничные условия задачи дифракции
для последующего решения строгими и приближенными методами.
ГЛАВА 2.6
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
715
2.6.3. Эффективная поверхность рассеяния плазменной струи ЭРД
В общем случае исследование рассеивающих характеристик системы «КА - плаз-
менная струя ЭРД» представляет собой достаточно сложную задачу, до конца не ре-
шенную в настоящее время как в теоретическом, так и в экспериментальном плане.
При этом отдельные известные результаты носят частный характер и получены для
отдельных частот радиодиапазона в ходе проведения космических экспериментов с
использованием плазменных ускорителей и инжекторов [13, 14] .
С целью упрощения задачи и выявления основных физических закономерностей
представляет методический интерес предварительное изучение характеристик отра-
жения самой плазменной струи ЭРД и исследование влияния на ее отражающие
свойства режимов работы двигателя.
Плазменные струи ЭРД относятся к группе ИПО, являющихся одной из разно-
видностей радиолокационных целей, описываемых традиционными характеристика-
ми, такими как ЭПР и ДОР [8, 15].
Вопросам определения радиолокационных характеристик ИПО посвящено много
теоретических и экспериментальных работ, например, [14, 16-22], однако сведения
по экспериментальным исследованиям плазменных струй конкретных ЭРД в явном
виде отсутствуют. В данном разделе приводится один из подходов эксперименталь-
ного определения в наземных условиях характеристик отражения плазменных струй
ЭРД и обсуждаются закономерности, выявленные в ходе экспериментов.
2.6.3.1. Методика измерений
Целью проведения экспериментальных исследований является определение ос-
новных радиолокационных характеристик плазменной струи: ЭПР и ДОР.
Для проведения измерений ЭРД устанавливается в БЭВК, описанную в [6]. С це-
лью снижения величины фоновых отражений в экспериментах использовался метод
временной селекции полезного сигнала, основанный на различном запаздывании от-
раженных радиоимпульсов от цели, расположенной на расстоянии R, и «мешающих»
объектов (стены вакуумной камеры, «блестящие» точки), расположенных на других
дальностях. Разрешающая способность таких систем по дальности Д/? определяется
длительностью зондирующего импульса т [15]: Дл = тс/2, где с - скорость света.
При этом оценка ЭПР проводится во временном стробе фиксированной дальности
по величине амплитуды импульса отраженного сигнала. При измерении ДОР ППМ
импульсного зондирования неподвижен, а изменение ракурса облучения плазменной
струи производится путем вращения ЭРД в горизонтальной плоскости с помощью
координатного устройства, описанного в [6].
При проведении измерений в качестве приемной и передающей антенн использу-
ются пирамидальные рупорные антенны с шириной диаграмм направленности по
уровню 0,5-20°. Приемная антенна имеет возможность перемещаться относительно
передающей, что позволяет произвести соответствующую ориентацию антенн в за-
данную точку пространства. Формально такая схема расположения антенн соответст-
вует бистатическому случаю зондирования с малым угловым разносом, при котором
измеряемая бистатическая ДОР практически совпадает с моностатической.
716
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
В эксперименте была применена сквозная калибровка приемо-передающего трак-
та с помощью плоских металлических пластин с известными значениями ЭПР. Пла-
стины устанавливались ортогонально линии визирования установки, и для каждой из
них исследовалась зависимость напряжения на выходе приемника от расстояния. По
результатам сравнительного анализа с использованием полиномиальной аппрокси-
мации был определен калибровочный коэффициент, связывающий значение напря-
жения на выходе приемника с величиной ЭПР.
2.6.3.2. Экспериментальное измерение ЭПР и мопостатической ДОР плазменной
струи модели ЭРД
В качестве модели ЭРД был использован упоминавшийся выше ТХУ. Блок-
схема экспериментальной установки, использовавшейся в этих измерениях, анало-
гична показанной на рис. 2.6.6, но вместо УО в БЭВК на подвесе размещалась модель
ЭРД. Для снятия моностатической ДОР поворот модели ЭРД в горизонтальной
плоскости осуществляется координатным устройством с потенциометрическим дат-
чиком угла поворота. ППМ импульсного зондирования размещается внутри вакуум-
ной камеры на расстоянии R от источника плазмы. В процессе измерений отражен-
ный, продетектированный и усиленный сигнал по высокочастотному кабелю через
герморазъем во фланце вакуумной камеры поступает на вход стробоскопического
осциллографа, который синхронизируется сигналом с передатчика установки зон-
дирования. Масштаб развертки по времени составлял 1 нс на деление при длитель-
ности зондирующего импульса 2 нс.
Рис. 2.6.12. Совмещенные осциллограммы отраженных сигналов
На рис. 2.6.12 представлены совмещенные осциллограммы огибающих отражен-
ных сигналов для случая осевого зондирования струи ЭРД и различных режимов его
работы: N1 (ток разряда 70 А, расход рабочего тела 5 мг-с-1), N2 (ток разряда 130 А,
расход рабочего тела 16 мг-с-1), N3 (ток разряда 160 А, расход рабочего тела 21 мг-с"1),
а также NO при выключенном двигателе.
ГЛАВА 2.6 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...717
Как видно из рис. 2.6.12, наличие плазменной струи ЭРД вызывает следующие
эффекты:
• смещение переднего фронта отраженного импульса на 0,7-1 нс влево по оси
времени, что соответствует смещению границы отражающей поверхности, обу-
словленной наличием в плазме для длины волны 3 см области электронов с
концентрацией выше критической, на расстояние 10-15 см от среза сопла ЭРД;
• уменьшение ЭПР самого ЭРД за счет формирования плазменной струей тене-
вой области, в которую попадает двигатель;
• перераспределение «фонового» отражения от стенок камеры, что говорит о
возможности некоторой «экранировки» ее плазменной струей ЭРД.
Таблица 2.6.2
Параметры плазменных образований для трех режимов ТХУ
Режимы N1 (/р = 70 А, 5 мг-с'1) N2(Zp= 130 А, 16мгс-1) N3 (/р= 130 А, 21 мг-сч)
tfno 0,025 м2 0,05 м2 0,07 м2
^кр 10 см 13 см 15 см
7ГТ?Кр2/ СУ по 1,256 1,06 1
к = суэрд/Нпо 9 4,5 3,2
Рассчитанные значения ЭПР сгПо и осевой длины зоны критической концентрации
7?кр для трех указанных режимов работы ТХУ и осевого зондирования представлены
в табл. 2.6.2. При этом ЭПР торца ЭРД составила 0,225 м2.
В ходе экспериментов были получены аналогичные осциллограммы и рассчитаны
ЭПР для различных ракурсов облучения плазменной струи ЭРД, позволившие опре-
делить вид моностатических ДОР, представленных на рис. 2.6.13.
Рис. 2.6.13. ДОР плазменной струи для различных режимов ТХУ
718
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Полученные ДОР для трех режимов работы модели ЭРД позволяют указать сле-
дующие закономерности.
• На всех трех режимах при осевом зондировании выявился эффект уменьшения
ЭПР ЭРД (сгэрд ~ 0,225 м2). Причем наибольшее уменьшение ЭПР (в 9 раз) обес-
печил режим работы ТХУ с минимальными значениями расхода рабочего тела
и разрядного тока (/р = 70 А, расход 5 мг-с-1), а наименьшее (в 3,2 раза) - режим
с максимальным разрядным током и расходом (/р = 130 А, 21 мг-с-1).
• С ростом угла визирования, отсчитываемого от осевого направления, на всех
режимах имеет место тенденция увеличения ЭПР. Причем на малорасходных и
малоточных режимах этот эффект проявляется наиболее резко (формируются
максимумы ЭПР на углах визирования 35-40°). На высокорасходных и сильно-
точных режимах увеличение ЭПР начинается с 60°.
Методы теоретической оценки ЭПР плазменных образований (ПО) рассмотрены
в [16, 19-22]. Сравним полученные экспериментальные данные с результатами тео-
ретических оценок, полученными, например, методом геометрической оптики (ГО).
В первом приближении для оценки ЭПР ПО часто применяют «приближение метал-
лизации», при котором ПО заменяют идеально проводящим телом, поверхность ко-
торого совпадает с поверхностью 8 = 0 в точке отражения луча. В приближении ГО
ЭПР идеального металлизированного тела равна:
aM = 7iT?17?2, (2.6.7)
где 7?i, Т?2 - главные радиусы кривизны поверхности 8 = 0 в точке отражения луча.
Если дополнительно учитывать «докритические» слои плазмы, то в геометриче-
ском приближении ЭПР ПО оказывается меньше ам вследствие рефракции ЭМВ в
области 8 > 0. ПО такого типа называются «рефрагирующими». Для оценки вклада
«докритических» слоев введем в рассмотрение коэффициент к = <з/<3м (табл. 2.6.2),
показывающий величину уменьшения ЭПР «металлизированного» тела (поверхность
которого совпадает с поверхностью зоны «критической» концентрации) за счет воз-
действия докритического плазменного слоя.
Рассмотрим особенности характеристик рассеяния для исследуемых режимов.
Как видно из рис. 2.6.13, режимы N2 и N3 обеспечивают в диапазоне углов ±50°
практически равномерную угловую зависимость. Это позволяет предположить, что в
анализируемом диапазоне углов граничные поверхности областей критической кон-
центрации близки к сферическим. Если считать, что радиусы этих сфер совпадают с
7?кр соответствующих образований, то можно рассчитать ЭПР в приближении «ме-
таллизации» (результаты расчетов приведены в табл. 2.6.2). Сравнение реально изме-
ренных ЭПР с рассчитанными в приближении «металлизации» показывает, что они
практически совпадают, т. е. докритическая область плазмы на режимах N2 и N3
практически не уменьшает ЭПР, полученную в приближении «металлизации». Даль-
нейший рост ЭПР, наблюдающийся на исследуемых режимах при углах визирования
больше ±50°, может быть объяснен как уменьшением кривизны граничной поверхно-
сти области критической концентрации (увеличение радиуса кривизны) на этих на-
правлениях, так и изменением характера поведения изоконцентралей. Последнее свя-
зано с тем, что при приближении угла визирования к 90° ПО может представлять
собой систему не выпуклых, а вогнутых (воронкообразных) поверхностей.
ГЛАВА 2.6
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
719
Анализ ДОР для режима N1 показывает, что по сравнению с моделью сфериче-
ского тела измеренная величина ЭПР существенно меньше, однако в диапазоне
±(35-40°) имеют место боковые лепестки при минимальном уровне на осевом на-
правлении. Это означает, что применить модель сферического тела уже нельзя, и об-
ласть критической концентрации представляет собой тело переменной кривизны с
предположительно максимальными радиусами кривизны на углах ±(35-40°). Разде-
лить вклад «металлизированного» тела и докритической области в ЭПР в этом случае
уже не представляется возможным, так как точная форма тела «критической» кон-
центрации нам неизвестна (без проведения дополнительных измерений, например,
зондовых).
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при сильно-
точных и высокорасходных режимах явного влияния «докритической» области на
уменьшение ЭПР самой критической области не обнаружено, что частично противо-
речит результатам, полученным в приближении ГО. Однако в работе [22] показано,
что реальная рефракционная расходимость лучевых полей меньше, чем в классиче-
ской ГО, что вызвано дифракционными эффектами, обнаруженными при строгом
решении электродинамической задачи. Это значит, что реальная ЭПР плазменных
струй, как правило, больше, чем рассчитанная методами классической ГО.
2.6.4. Методы исследования собственного излучения ЭРД
Работа ЭРД в общем случае может сопровождаться возникновением различных
типов плазменно-пучковых неустойчивостей, которые, например, в СПД могут про-
являться как в зоне ионизации, так и в пристеночных областях ускорительного кана-
ла и внешней неравновесной области плазмы, связанной с нейтрализацией ускорен-
ного ионного потока. В результате различных механизмов преобразования возни-
кающие плазменные колебания трансформируются в шумовое электромагнитное
излучение широкого диапазона частот от сотен Гц до десятков ГГц [3, 23, 24].
Несмотря на то, что практическое использование СПД (наиболее распространен-
ных ЭРД) на околоземной орбите не выявило фактов их существенного воздействия
на работу бортовых радиосистем, учет влияния собственного излучения СПД на их
работу до сих пор полноценно не проводился. Главным образом, это связано с отсут-
ствием метрологически аттестованных данных по спектрально-временным характе-
ристикам собственного излучения ЭРД, согласованных с требованиями стандартов
Международной электротехнической комиссии (МЭК).
Широкое использование ЭРД в национальных и международных космических
программах делает создание стандарта ЭМС для ЭРД актуальной задачей сегодняш-
него дня. Учитывая современные требования МЭК, такой стандарт должен включать
в себя раздел «Нормы и испытания на помехоэмиссию».
Применительно к ЭРД, в этом разделе должны определяться нормы эмиссии по-
мех и описания рабочих мест для проведения испытаний на помехоэмиссию низко-
частотных и высокочастотных явлений. В отношении методов измерения должны
применяться соответствующие базовые стандарты по ЭМС, чтобы обеспечить ис-
пользование стандартизованного оборудования.
720
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Ниже рассматривается один из возможных вариантов построения аппаратуры и
технических средств наземных комплексов, позволяющий проводить испытания ЭРД
на помехоэмиссию.
2.6.4.1. Аппаратурный комплекс для исследования собственного излучения ЭРД
Описанная выше БЭВК была использована для исследования собственного излу-
чения ЭРД типа СПД-100 (см. рис. 2.6.14). Исследуемая модель двигателя размеща-
лась в центре камеры на подвесах и могла поворачиваться на угол ср (±90°) в горизон-
тальной плоскости. Для определения уровня принимаемой мощности излучения в
установке использовался термисторный измеритель мощности МЗ-22А с входящими
в его комплект селективными термисторными преобразователями [25].
При этом в процессе измерений термисторный преобразователь должен находить-
ся за пределами вакуумной камеры, чтобы не нарушались процессы теплообмена
между рабочим (поглощающим мощность СВЧ) и компенсирующим термисторами.
Это потребовало разработать герметизированный волноводный тракт, обеспечиваю-
щий селективный вывод излучения ЭРД за пределы вакуумной камеры.
Для предварительных оценок были проведены измерения собственного излучения
ЭРД в диапазоне 5-12 ГГц, представляющем определенный интерес для разработчи-
ков бортовых радиосистем. Прием излучения ЭРД производился специальной рупор-
ной антенной, перекрывающей исследуемый частотный диапазон (раскрыв апертуры
20x15 см, длина грани рупора 51 см). С целью снижения влияния потока плазмы
ЭРД на рупорную антенну ее раскрыв закрывался радиопрозрачным козырьком, вы-
полненным из листового диэлектрика толщиной 0,5 мм. В качестве выходной волно-
ведущей системы рупорной антенны применялся стандартный волноводный тракт
Рис. 2.6.14. Блок-схема экспериментальной установки
ГЛАВА 2.6
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
721
размером 35 х 15 мм, который герметизировался в месте прохода через фланец ваку-
умной камеры радиопрозрачной диэлектрической вставкой. Для предотвращения
прямого попадания оптического излучения ЭРД на термисторный преобразователь
волноводный тракт изогнут под углом 90°.
2.6.4.2. Результаты экспериментов
На первом этапе измерений СПД-100 устанавливался соосно вакуумной каме-
ре, при этом плазменная струя инжектировалась в направлении оси приемной ан-
тенны. Производилось измерение плотности потока мощности излучения СПД-100
П, [Вт-м"2]. Результаты экспериментов и параметры антенно-фидерного тракта для
этого случая представлены в табл. 2.6.3.
На втором этапе исследовалось угловое распределение параметра П двигателя
СПД-100.
Для этого осуществлялось механическое перемещение двигателя в горизонталь-
ной плоскости в диапазоне углов ±90°. Следует отметить, что работа использованно-
го измерителя мощности требует определенного времени установления показаний,
которое составляет 10 с. Поэтому для измерения диаграммы направленности излуче-
ния ЭРД использовался дискретный ряд угловых значений с 10-секундными интерва-
лами измерения мощности.
Нормированные диаграммы направленности излучения СПД-100 представлены на
рис. 2.6.15. Как видно из графиков, в исследуемом диапазоне частот максимум излу-
чения СПД-100 ориентирован по оси плазменной струи, а ширина нормированной
диаграммы направленности излучаемой мощности по уровню 0,5 в диапазоне
5,64-8,24 ГГц составляет около 40°. С ростом частоты (диапазон 8,24-12,05 ГГц)
нормированная диаграмма сужается до 25°.
Результаты экспериментов
Таблица 2.6.3
Диапазон, ГГц 5,64-8,24 8,24-12,05
5,фф (средняя), м2 0,025 0,016
0,2 0,53
Kr~R2 1,44/7? = 1,2 м
Ризм, мкВт 0,4 0,2
AF, ГГц 2,6 3,81
П, Вт-м-2 1,15-Ю-4 6,792-10-5
П, Вт-м-2-МГц-1 4,43-10-8 1,783-10-8
Eq, мкВ-м-1 2,08-105 1,6-105
Ei, мкВ-м-1-МГц"’ 80,15 42
20IgE], дБ-мкВ-м-1-МГц-1 38,1 32,465
722
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.6.15. Диаграммы направленности
излучения ЭРД в диапазонах частот:
1 - 5,64-8,24 ГГц; 2 - 8,24-12,05 ГГц
Полученные в ходе экспериментов диа-
граммы направленности носят усреднен-
ный (по частоте) характер и в явном виде
не учитывают, что на отдельных частотах
могут формироваться квазигармонические
колебания, вызванные плазменно-пучковы-
ми неустойчивостями, уровень интенсив-
ности которых может быть существенно
выше среднего.
С целью оценки эффективности исполь-
зования БЭВК для измерения собственного
излучения ЭРД целесообразно сравнить
представленные результаты с известными
данными, полученными в металлических
камерах. Для этого воспользуемся данны-
ми испытаний СПД-100, полученными в
металлической камере NASA по методике, описанной в [3]. В соответствии с этой
методикой, измерительные антенны, перекрывающие исследуемый частотный диапа-
зон, располагаются в задней полусфере двигателя на расстоянии 1 м (см. рис. 2.6.1).
Несмотря на различие геометрии измерений, результаты, полученные в камере
NASA, представляют большой интерес, так как в ней проводились испытания боль-
шинства современных ЭРД.
Сравнение целесообразно провести в диапазоне частот 5,64-8,24 ГГц, где явно
прослеживаются шумы ЭРД. Данные испытаний в камере NASA показали, что в вы-
деленном участке спектра уровень шумов практически постоянен, а средняя напря-
женность поля, нормированная к полосе частот 1 МГц, лежит в пределах
43-45 дБ-мкВ-м"1-МГц"1. При этом указанное значение представляет собой сумму
собственного излучения ЭРД и фоновых помеховых сигналов.
Располагая результатами измерений мощности в БЭВК для аналогичной моде-
ли СПД-100, можно рассчитать среднюю напряженность электрического поля,
нормированную к диапазону измерений в направлении осевого излучения (соот-
ветствующее значение 201gEi = 38,1 дБ-мкВ-м"1 -МГц"1 приведено в нижней строке
табл. 2.6.3).
Учитывая различия в размерах вакуумных камер, степени экранировки внутрен-
него объема, технологическом оборудовании, составе измерительной аппаратуры,
сравнение может носить в основном качественный характер, не претендуя на абсо-
лютные численные оценки.
Для сравнения значений напряженностей полей излучения СПД-100 в диапазоне
5,64-8,24 ГГц, полученных в металлической и безэховой вакуумных камерах, следу-
ет пересчитать их к единой геометрии. Такой пересчет показывает, например, что
при углах отклонения больше 80° величина напряженности поля излучения в БЭВК
становится меньше 25 дБ-мкВ-м-1-МГц-1, что дает отличие по отношению к излуче-
нию в металлической камере порядка 20 дБ. Таким образом, приходим на первый
взгляд к противоречивому результату, когда в металлической камере тыловое излу-
ГЛАВА 2.6 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
723
чение двигателя типа СПД-100 существенно больше фронтального излучения, изме-
ренного в БЭК. Даже если отбросить ошибки измерений и расчетные приближения,
связанные с усреднением сравниваемых величин по спектру, различие получается
достаточно существенным и требует выяснения причин.
В качестве одной из гипотез, объясняющей указанное различие, можно использо-
вать представление о металлической вакуумной камере как о резонаторе с различны-
ми типами колебаний, отличающимися числом вариаций поля по всем трем коорди-
натным осям [12]. Резонансные явления могут приводить к увеличению измеряемой
мощности излучения на резонансных частотах в металлической камере с высокими
значениями добротности ~(103—104) в 10-100 раз по сравнению со свободным про-
странством [24].
В случае металлических вакуумных камер в области высоких частот излучения
ЭРД во внутреннем объеме устанавливается практически равномерное распределе-
ние СВЧ-поля. Это значит, что измерительная антенна, перемещаемая в металличе-
ской камере произвольно (по отношению к ЭРД), будет принимать практически
постоянный средний сигнал, величина которого определяется добротностью каме-
ры и может существенно превышать уровень излучения в свободном пространстве.
Естественно, что в этих условиях исследование направленных свойств излучения
невозможно.
Следует отметить, что сама конструкция ускорительного канала СПД на высоких
частотах может рассматриваться как резонатор, обладающий определенными избира-
тельными свойствами, который совместно с окружающей металлической вакуумной
камерой образует сложную взаимосвязанную электродинамическую систему. Поэто-
му результирующее поле может иметь сложную структуру, существенно отличаю-
щуюся от излучения ЭРД в свободном пространстве.
В БЭВК этого не происходит за счет резкого снижения добротности резонатора в
результате установки на стенках РПП, препятствующих многократным псрсотражс-
ниям и установлению режима стоячих волн. Это позволяет не только получать ре-
зультаты измерений излучения ЭРД, близкие к свободному пространству, но и ис-
следовать его направленные свойства.
2.6.5. Оценка возможностей определения направленных свойств собственного
излучения ЭРД в металлических вакуумных камерах
В общей постановке задача исследования направленных свойств излучения ЭРД
подробно рассмотрена в [27]. Показано, что для получения адекватных количест-
венных результатов необходимо использование БЭВК с заданными показателями
безэховости. Однако ввиду сложности реализации и высокой стоимости подобных
измерительных комплексов актуальным остается вопрос о возможности получения
качественных оценочных результатов в обычных металлических вакуумных камерах,
широко используемых при отработке ЭРД в наземных условиях. Для оценки возмож-
ности определения направленных свойств собственного излучения ЭРД в СВЧ-диа-
пазоне в условиях металлических вакуумных камер была использована установка,
описанная в [28].
724
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
2.6.5.1. Оборудование измерительного комплекса
ЭРД располагался в стандартной металлической вакуумной камере цилиндриче-
ской формы по ее оси (см. рис. 2.6.1). Прием собственного излучения ЭРД осуществ-
лялся на две антенны, расположенные в камере под разными углами визирования.
При этом оси антенн были ориентированы непосредственно на центр среза сопла
двигателя, и в ходе эксперимента их угловое положение сохранялось (см. рис. 2.6.16).
Наличие двух разнесенных по углу визирования каналов приема позволяет оценить
степень неоднородности диаграммы направленности излучения ЭРД. Измерения
проводились в частотном диапазоне (6-18 ГГц). В качестве ЭРД использовался СПД
типа Т-160 [28].
Рис. 2.6.16. Блок-схема эксперимента
Для регистрации принятых сигналов к выходам измерительных антенн через фи-
дерные линии, выходящие наружу через стенки вакуумной камеры, подключался
блок высокочастотной фильтрации и усиления, обеспечивающий работу в частотном
диапазоне 6-18 ГГц.
При проведении эксперимента значительное внимание было уделено вопросам
калибровки приемных каналов. В принципе, такая процедура хорошо известна: так, в
обычных антенных залах используются генераторы с калибровочными излучающими
антеннами, позволяющие получить «сквозные» характеристики калибруемых прием-
ных трактов. Однако в условиях металлических вакуумных камер использование та-
кого подхода проблематично, так как сама диаграмма направленности калибровоч-
ной антенны в замкнутом металлическом объеме неконтролируемо меняется, что не
позволяет считать калибровку адекватной.
С целью преодоления указанных трудностей для юстировки приемных каналов
использовались описанные выше резонаторные свойства металлической вакуумной
ГЛАВА 2.6
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
725
камеры, обеспечивающие формирование близкого к равномерному распределения
СВЧ-поля в ней. При этом фоновые шумы в камере возбуждались работающим ЭРД,
а юстировка каналов осуществлялась в полосе частот, где присутствовало только
излучение фона.
Эффект установления равномерного распределения СВЧ-поля внутри металличе-
ской вакуумной камеры распространяется и на собственное излучение ЭРД. Это ис-
ключает, в общем случае, возможность исследования его направленных свойств.
Ниже использован новый подход, позволяющий частично преодолеть указанную
проблему и получить оценочную информацию о направленных свойствах излучения
ЭРД. Он основан на процедуре выделения потока излучения на трассе «ЭРД - при-
емная антенна» из многочисленных мешающих псреотражений, вызванных стенками
вакуумной камеры путем специальной полосовой фильтрации и усреднения.
2.6.5.2. Результаты оценок направленных свойств излучения ЭРД
С целью оценки направленных свойств излучения ЭРД для каждой исследуемой
частоты пересчитанные ко входу напряженности электромагнитных полей Еа и Еь в
апертурах двух приемных антенн (с разными углами визирования) сравнивались, а
результат нормировался к их среднему значению и величине углового разноса ДО:
K(F) = ~-Е~ь Еа) = 24,39 Eh Е“,
(£6+£JA6 Е„ + Еа
(2.6.8)
где ДО = 4,7° - угловой разнос приемных антенн.
При равенстве коэффициентов усиления каналов это соотношение приводится к
виду:
100,05(t4-t/e) j
^ = 24’39 73^777-
(2.6.9)
где Ua и Ub - уровни сигналов на выходе приемных каналов (в дБ по отношению к
1 мкВ), полученные по шкале спектроанализатора для соответствующей частоты.
Данную величину можно интерпретировать как нормированную производную
ДОР ЭРД для фиксированной частоты и угла визирования, равного 33,55°.
Результаты измерений величин Ua, Ub для выбранного частотного диапазона и
расчета K(F) представлены в табл. 2.6.4.
Таблица 2.6.4
Результаты измерений
F, ГГц Ua, дБ-мкВ дБ-мкВ Ua, мкВ Ub, мкВ K(F)
7,0 56,1 56,0 638,26 630,96 -0,14
8,8 68,2 67,9 2 570,40 2483,13 -0,42
10,5 56,7 58,2 683,91 812,83 2,10
12,3 57,0 56,0 707,95 630,96 -1,40
13,8 54,2 54,2 512,86 512,86 0
15,4 57,1 57,1 716,14 716,14 0
726
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.6.17. Нормированная производная
диаграммы излучения ЭРД
График нормированной производной диа-
граммы направленности излучения ЭРД
представлен на рис. 2.6.17.
Видно, что в зависимости от частоты кру-
тизна диаграммы излучения ЭРД не только
не постоянна, но и меняет знак. При этом
положительные значения соответствуют
условию, когда угловое положение макси-
мума диаграммы превышает угол визирова-
ния, а отрицательные - наоборот, т. е. чем
выше модуль отрицательных значений, тем
уже диаграмма излучения, и ее максимум
стремится ориентироваться в направлении
оси плазменной струи ЭРД.
При больших положительных значениях
диаграмма также сужается, а ее максимум
стремится ориентироваться ортогонально оси плазменной струи ЭРД.
Полученные результаты полностью согласуются с данными, приведенными в
разд. 2.6.4, где показано, что в общем случае диаграмма излучения ЭРД в широкой
полосе частот ориентирована по оси плазменной струи, а ее ширина с ростом частоты
уменьшается.
Данный пример на качественном уровне показывает, что, применяя специальную
вторичную обработку результатов измерений в металлических вакуумных камерах,
можно выявить направленные свойства излучения ЭРД. Однако количественные
оценки такого подхода требуют проведения в каждом конкретном случае дополни-
тельного метрологического обоснования.
Таким образом, результаты, представленные в данном разделе, носят принципи-
ально важный характер для понимания особенностей проведения измерений в метал-
лических и безэховых вакуумных камерах и могут рассматриваться как шаг на пути к
метрологической аттестации уровня собственного излучения ЭРД в радиодиапазоне
и созданию единого стандарта ЭМС для ЭРД.
2.6.6. Практическое применение результатов
Рассмотренные в разд. 2.6.2-2.6.3 методы определения отражающих свойств объ-
ектов при наличии плазменных струй ЭРД являются основой исследования радиоло-
кационных характеристик широкого класса целей для различных прикладных задач и
требуют отдельного изложения. Что касается результатов исследования собственного
излучения ЭРД (разд. 2.6.4), то они дают количественные оценки, которые могут
быть использованы, например, в задачах обеспечения совместимости ЭРД с борто-
выми системами КА. Рассмотрению этих вопросов и посвящен данный раздел.
Потребность в такой информации объясняется необходимостью решения при по-
строении КА классических задач ЭМС. Учитывая, что данная проблема является ча-
стным вопросом общей концепции ЭМС, ниже приводятся основные положения и
определения, носящие основополагающий характер.
ГЛАВА 2.6 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...727
2.6.6.1. Основные положения и определения
Под ЭМС радиоэлектронных средств (РЭС) понимается способность РЭС функ-
ционировать с требуемым качеством при воздействии непреднамеренных помех и не
создавать недопустимых помех другим РЭС [29].
Под РЭС понимают техническое средство, состоящее из одного или нескольких
радиопередающих и (или) радиоприемных устройств и вспомогательного оборудова-
ния. При этом непреднамеренной считают любую радиопомеху, создаваемую источ-
ником искусственного происхождения, не предназначенную для нарушения функ-
ционирования РЭС.
При описании ЭМС используют понятия: источники и рецепторы помех.
Источники электромагнитной помехи - класс любых устройств, которые могут
создавать электромагнитное излучение.
Источники непреднамеренных электромагнитных помех можно разделить на две
группы: естественные и искусственные.
Если рассматривается трасса распространения радиоволн «Земля-KA», то источ-
ники естественных помех могут быть земными и внеземными. Земные - атмосфер-
ные помехи и статические разряды. К числу естественных помех также следует отне-
сти искажение сигналов в среде распространения.
К внеземным источникам помех относят помехи, обусловленные электромагнит-
ным излучением Солнца, планет, звезд и других небесных тел. В эту группу можно
также включить помехи, возникающие при электризации КА в магнитосфере Зем-
ли [30]. Их источниками являются разряды с поверхности КА в окружающую плазму,
поверхностные разряды и объемные разряды в диэлектрике.
Источниками искусственных электромагнитных помех являются радиоэлектрон-
ные устройства, принцип работы которых связан с излучением электромагнитной
энергии (например, связные, радиовещательные, радионавигационные, радиолокаци-
онные и т. д.).
Электромагнитные помехи РЭС создают также устройства, не предназначенные
для излучения электромагнитной энергии (например, различные электротехнические
устройства). Помехи, создаваемые этими объектами, образуют широкий класс так
называемых технических электромагнитных процессов [31].
Они подразделяются на две группы:
• регулярные высокочастотные колебания, не предназначенные для излучения
(они создаются гетеродинами радиоприемных устройств и т. д.);
• апериодические, случайно возникающие во времени помехи, как правило, с
широким частотным спектром (они создаются контактами реле и выключате-
лей, цепями коммутации, переходными процессами в газоразрядных приборах
и т. д.).
Источниками помех также являются устройства, искажающие в силу специфики
своей работы форму протекающего в цепи тока или напряжения (например, магнит-
ные усилители и полупроводниковые выпрямители).
В отдельную группу можно выделить стационарные и импульсные плазменные
двигатели, излучение которых носит сложный характер, включающий как регуляр-
ные, так и случайные составляющие.
728
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рецепторы электромагнитной помехи - все устройства, параметры которых из-
меняются (обратимо или необратимо) под действием электромагнитных помех.
Рецепторы можно разбить на две группы:
• рецепторы, работающие на принципах извлечения полезной информации из
окружающего электромагнитного поля (как правило, это радиоприемные уст-
ройства);
• рецепторы, которые по принципу своей работы не должны реагировать на
внешние электромагнитные поля (например, цепи питания, контуры заземле-
ния, кабельные линии и т. д.).
Энергия помех может передаваться к рецептору через индуктивную или емкост-
ную связь, общие сопротивления, путем электромагнитного излучения или через лю-
бую комбинацию этих каналов (в общем случае технические электромагнитные по-
мехи могут проникать как через антенный тракт, так и по различным цепям).
Следует отметить, что воздействие помех на радиоприемные устройства может
быть различным. Для большинства случаев, особенно при помехах от других ком-
плексов РЭС, последние взаимодействуют с полезным сигналом аддитивно. Однако
следует учитывать, что при высоком уровне помех (это часто имеет место при внут-
ренних помехах комплексов РЭС) и при воздействии на приемник нескольких ме-
шающих сигналов одновременно возникают явления блокирования, перекрестных и
интермодуляционных искажений. Перечисленные эффекты обусловлены нелинейно-
стями тракта приема. При этом действие блокирующей помехи приводит к измене-
нию чувствительности приемника, а перекрестные и интермодуляционные помехи
являются мультипликативными и вызывают структурные изменения принимаемого
сигнала.
2.6.6.2. Иерархия РЭС и принципы анализа их ЭМС
По степени сложности и характеру связей между отдельными РЭС можно выде-
лить следующие варианты совместного взаимодействия:
• простейшее сочетание из двух РЭС (вырожденная группировка);
• группировки РЭС, состоящие из функционально связанных между собой РЭС и
обеспечивающие решение одной или ряда функциональных задач (например,
радиоэлектронный комплекс КА); в этом случае решается типичная внутрисис-
темная задача оценки электромагнитной совместимости комплекса РЭС;
• группировки РЭС, состоящие из самостоятельных комплексов (объектов); та-
кие группировки объектов занимают в пространстве ограниченную область и
называются локальными группировками (например, группировки спутников на
геостационарной орбите).
В общем случае оценка ЭМС сводится к решению двух задач: внешней и внут-
ренней.
Внешняя задача состоит в определении характеристик полезного и мешающих
сигналов на входе приемника, а внутренняя - в определении степени воздействия
непреднамеренных помех на качество функционирования (эффективность) отдель-
ных РЭС и комплекса в целом. В итоге получаем схему решения задачи оценки
ЭМС, состоящую из четырех этапов.
ГЛАВА 2.6
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
729
На первом этапе решается внешняя задача оценки электромагнитной обстановки
(ЭМО). Результатом решения этой задачи должны быть количественные детермини-
рованные и вероятностные характеристики полезных и мешающих сигналов, воздей-
ствующих на приемное устройство каждого из РЭС. Заметим, что ЭМО представля-
ется совокупностью только тех мешающих сигналов, которые потенциально опасны
в отношении нарушения ЭМС, т. е. используется усеченная выборка непреднамерен-
ных помех. В нашем случае это означает, что мы оцениваем только части спектра
общего излучения ЭРД, попадающие в полосы пропускания анализируемых РЭС.
Второй этап предусматривает оценку качества функционирования (эффективно-
сти) отдельных РЭС. Результат решения задачи второго этапа характеризует степень
влияния непреднамеренных помех на качество приема полезного сигнала, т. е. оце-
нивает эффективность РЭС, функционирующего в определенной помеховой обста-
новке.
На третьем этапе решается задача оценки качества функционирования (эффектив-
ности) комплекса РЭС в целом. При этом должно учитываться не только качество
функционирования отдельных РЭС в сложившейся ЭМО, но и логика функциональ-
ной взаимосвязи отдельных РЭС в комплексе.
Четвертым этапом является оценка ЭМС группировки РЭС. При этом должны
анализироваться три вида группировок (рассмотренных выше) РЭС и в соответствии
с этим решаться задачи внутрисистемной и межсистемной оценок ЭМС РЭС по кри-
терию сохранения эффективности при воздействии непреднамеренных помех.
Отсюда следует, что критерии оценки ЭМС должны базироваться на показателях
качества функционирования (эффективности) РЭС.
2.6.6.3. Критерии ЭМС
При работе РЭС в присутствии источников помех (в качестве которых могут вы-
ступать, например, другие РЭС) критериями ЭМС, как правило, служат такие значе-
ния взаимных помех, при которых обеспечивается нормальная работа совмещаемых
РЭС [32, 33]. Применительно к ЭРД это значит, что уровень его помехи в полосе ра-
боты совмещаемого РЭС не должен нарушать работу последнего.
Приведем наиболее распространенные критерии ЭМС [32].
• Допустимый уровень помехи на выходе приемника составляет заданную долю
от полного допустимого уровня шума (применяется в системах спутниковых
радиослужб и составляет 10-20%).
• Допустимый уровень помехи определяется через защитное отношение (мини-
мальное отношение мощностей полезного и мешающего сигналов на входе
приемника). Для спутниковых систем передачи телевизионных сигналов этот
критерий составляет 20-50 дБ в зависимости от видов полезных и мешающих
сигналов.
• Допустимый уровень помехи на входе приемника составляет заданную долю
собственных шумов приемника. Например, для спутниковых радионавигаци-
онных систем уровень мешающего сигнала на входе приемника должен нахо-
дится на 5-10 дБ ниже уровня собственных шумов приемника.
Как правило, критерии ЭМС разрабатываются международными консультацион-
ными комитетами и отражаются в соответствующих нормативных документах.
730 ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАЗДЕЛ 2
2.6.6.4. Процедура расчета ЭМС
Если задана помеховая обстановка, выбран критерий ЭМС, то можно перейти к
расчетам, позволяющим определить условия совместимости конкретного РЭС с ЭРД
в данной тактической ситуации.
Эти условия могут включать:
• минимальное допустимое расстояние между ЭРД и совмещаемым РЭС;
• значения необходимого подавления боковых лепестков диаграмм направлен-
ности приемных антенн совмещаемого РЭС.
Для предварительного расчета ЭМС можно пользоваться следующими простыми
соотношениями. Предположим, что ЭРД моделируется точечным источником поме-
хи, который может быть как изотропным, так и обладать направленными свойства-
ми [23]. Тогда плотность потока мощности изотропного источника помехи с учетом
сферической расходимости фронта волны на расстоянии г от него равна:
ПЛ = РЭЛ- 101g(47rr2), (2.6.10)
где Рэп - эквивалентная изотропно излучаемая мощность помехи (мощность излуче-
ния ЭРД в заданной полосе частот); г - расстояние от излучателя, [м].
Если источник помехи обладает пространственной направленностью, то
п„ = Р„ + Gn - Ьп - 10 Ig^nr2), (2.6.11)
где Рп - мощность источника помехи; Gn - коэффициент, характеризующий про-
странственную направленность, [дБ]; Ьп - потери при излучении (потери в фидерном
тракте).
Предполагаем, что совмещаемые средства находятся на расстоянии, когда сфе-
рический фронт волны от источника помехи можно считать плоским. Поэтому
мощность сигнала на входе приемника прямо пропорциональна площади приемной
антенны:
Рпр = Пп+101g5np - Z?np, (2.6.12)
где Snp - эффективная площадь приемной антенны, [м2]; /?пр - потери в фидерном
тракте приемной антенны, [дБ].
Используя связь эффективной площади антенны с ее усилением, можно записать:
Ар = Пп + 6пр - Ар - 10 lg(X2 /4тг), (2.6.13)
где (7пр - коэффициент усиления приемной антенны, [дБ]; X - длина волны.
С учетом (2.6.11) можно записать:
= Рп + - bu + Gnp - 6пр - 20 lg(47ir/ к). (2.6.14)
Потери в свободном пространстве могут быть определены как:
Lo = Рп - Лф = Ц - Gn + bn - Gnp + Z?Iip, (2.6.15)
где Ц = 20 lg(47tr/X) - основные потери в свободном пространстве. В некоторых слу-
чаях важно знать напряженность поля Е сигнала в месте приема, которая определяет-
ся соотношением:
20 lg£ = Рп + Gn - btt + 14,77 - 20 Igr.
(2.6.16)
ГЛАВА 2.6
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
731
Если известны потери в пространстве и мощность помехи, то фактическая мощ-
ность шумового сигнала на входе приемника рассчитывается по формуле (2.6.12). С
другой стороны, эта величина лимитируется критериями ЭМС.
Например, если критерием ЭМС является допустимая мощность помехи в канале
приема Лк, то допустимая мощность РпрДоп является функцией этого критерия и
мощности полезного сигнала Рс:
ЛРДоп = Л(Лк,Л). (2.6.17)
При передаче цифровых сигналов критерием служит условие соблюдения задан-
ной вероятности ошибки Рош. В этом случае:
Лр доп = F2 (Лш, Л)- (2.6.18)
В тех случаях, когда критерием ЭМС является допустимое отношение мощности
полезного сигнала к мешающему на входе приемника (защитное отношение в дБ)
^7доп, ТО
Р пр ДОП- Р с — <7доп, (2.6.19)
где Л - минимальный уровень сигнала на входе приемника, [дБ].
Если критерием служит разность уровней А [дБ] мощности теплового шума и
мощности мешающего сигнала на его входе, то
Лрдоп = 101g(^IU Д/пр - Д), (2.6.20)
где к = 1,38-10“23 - постоянная Больцмана, [Дж-К-1]; Тш - температура шума прием-
ной системы, [К], приведенная к выходу приемной антенны; Д/1р - ширина полосы
приемника, [Гц].
Для расчета ЛР доп по формулам (2.6.17), (2.6.18) требуется знание конкретных
видов полезного и мешающего сигналов. В формулах (2.6.19), (2.6.20) ЛР определя-
ется непосредственно по критериям ЭМС, что существенно упрощает анализ. Фор-
мула (2.6.14) является основополагающей и позволяет определить любую входящую
в нее величину, считая остальные заданными.
Использование этой формулы позволяет:
• проверить выполнение критериев ЭМС;
• найти минимальное расстояние между источником мешающего сигнала и со-
вмещаемым РЭС;
• рассчитать необходимую величину подавления боковых лепестков используе-
мых антенн;
• определить ограничение на мощность мешающего сигнала в направлении РЭС,
подверженного помехе.
В ряде случаев (при выполнении критериев ЭМС) такого анализа оказывается
достаточно. При нарушении критериев следует переходить к более детальным расче-
там, что требует конкретизации РЭС и видов используемых сигналов.
При рассмотренном выше подходе влияние ЭРД оценивается его вкладом в об-
щую ЭМО. Возможность получения таких характеристик ЭРД была рассмотрена в
разд. 2.6.4.
Знание ЭМО с учетом влияния ЭРД позволяет полностью решить локальную за-
дачу совместимости его с бортовыми системами КА.
732
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
2.6.6.5. Стандарты ЭМС
Общие (универсальные) стандарты Международной электротехнической комис-
сии (МЭК) по ЭМС - это нормативные документы, применяемые к изделиям, для
которых еще не существует конкретных стандартов по ЭМС. В соответствии с [34],
общие стандарты определяют наборы существенных требований, процедуры испыта-
ний и обобщенные критерии качества функционирования, которые применяются к
изделиям при эксплуатации в определенной среде. В основном, общие стандарты
регулируют процедуры испытания изделий на помехоэмиссию и помехоустойчи-
вость.
Если применить идеологию общих стандартов к ЭРД, то при решении задач обес-
печения ЭМС на борту КА должны стандартизовываться следующие виды испыта-
ний:
• испытания самого ЭРД на помехоэмиссию (кондуктивную и излучаемую);
• испытания функциональных элементов бортового комплекса КА на помехо-
устойчивость для заданных видов помех, включая помехи ЭРД.
Применительно к традиционным видам помех процедуры оценки ЭМС достаточ-
но стандартизованы. Основополагающие (базовые) международные стандарты ЭМС
в области устойчивости технических средств к электромагнитным помехам относятся
к серии стандартов МЭК 61000-4, разработанных Техническим комитетом 77 и при-
нятых в 1993-2000 гг.
В указанных стандартах установлены характеристики испытательных электро-
магнитных воздействий (электромагнитных помех) различного вида, номенклатура
степеней жесткости испытаний технических средств на устойчивость к электромаг-
нитным помехам, требования к испытательному оборудованию и методы соответст-
вующих испытаний.
Номенклатура стандартизованных электромагнитных помех, применяемых для
регламентирования требований помехоустойчивости технических средств, установ-
ленная в стандартах МЭК серии 61000-4, соответствует в целом принятой МЭК но-
менклатуре внешних электромагнитных помех в местах размещения технических
средств [34,35]. В настоящее время она включает 17 видов электромагнитных воз-
действий. Соответственно разработаны и приняты 17 основополагающих стандартов
МЭК, устанавливающих требования устойчивости технических средств к электро-
магнитным помехам различных видов.
В табл. 2.6.5 приведен перечень стандартов МЭК серии 61000-4 и отечественных
государственных стандартов серии ГОСТ Р 51317.4, гармонизированных со стандар-
тами МЭК [36], для испытаний на помехоустойчивость применительно к шести ви-
дам наиболее характерных электромагнитных воздействий.
Несмотря на обилие существующих нормативных документов, следует констати-
ровать, что по отношению к ЭРД имеющиеся стандарты ЭМС могут быть применены
только косвенно, так как процедура испытания ЭРД (в первую очередь на помехо-
эмиссию) до сих пор окончательно не определена. Кроме того, сам ЭРД как источник
помех не может быть непосредственно отнесен к известным видам электромаг-
нитных воздействий. В общем случае влияние ЭРД с позиций ЭМС можно модели-
ровать суперпозицией известных электромагнитных процессов, но определение их
ГЛАВА 2.6 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
733
Таблица 2.6.5
Перечень стандартов
Наименование электромагнитной помехи Международный стандарт Отечественный стандарт
Электростатические разряды МЭК 61000-4-2-95 ГОСТ Р 51317.4.2-99
Радиочастотное электромагнитное поле МЭК 61000-4-3-95 ГОСТ Р 51317.4.3-99
Наносекундные импульсные помехи МЭК 61000-4-4-95 ГОСТ Р 51317.4.4-99
Микросекундные импульсные помехи большой энергии МЭК 61000-4-5-95 ГОСТ Р 51317.4.5-99
Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными полями МЭК 61000-4-6-96 ГОСТ Р 51317.4.6-99
Кондуктивные помехи, в полосе частот от 0 до 150 кГц МЭК 61000.4-16-98 ГОСТ Р 51317.4.16-2000
весового вклада и количественных значений составляет предмет самостоятельных
исследований.
Представленные в настоящей главе результаты могут рассматриваться как техни-
ческие варианты возможной реализации процедуры аттестации ЭРД на помехоэмис-
сию и являются очередным шагом на пути к созданию отечественных и международ-
ных стандартов ЭМС в этой области.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В данной главе сформулированы основные направления развития специализи-
рованной стендовой базы и рассмотрены общие принципы проведения лабораторных
исследований радиофизических характеристик и эффектов электродинамического
воздействия ЭРД. Показано, что для решения различного типа исследовательских
задач применительно к плазменным образованиям, создаваемым ЭРД, в том числе и
задач ЭМС, необходимы разработка и создание специализированных стендов, осна-
щенных БЭВК, обладающими заданными характеристиками безэховости в условиях
высокого вакуума.
2. На базе разработанного в НИИ ПМЭ измерительного комплекса, оснащенного
БЭВК, проведена серия экспериментов, направленная на исследования отражающих
характеристик как самих плазменных струй, так и типовых апертурных отражателей
при наличии плазменных струй ЭРД в раскрыве. Во всех экспериментах были выяв-
лены эффекты электродинамического воздействия ЭРД, а полученные эксперимен-
тальные результаты обладали необходимой метрологической точностью и совпадали
с теоретическими оценками, что подтвердило адекватность использования разрабо-
танных методов и средств.
3. Разработаны общие принципы измерения собственного излучения ЭРД в на-
земных условиях. На базе измерительного комплекса, оснащенного БЭВК, проведено
исследование характеристик собственного излучения ЭРД типа СПД-100 в диапазо-
нах частот 5,64-8,24 ГГц и 8,24-12,05 ГГц, представляющих определенный интерес
для разработчиков бортовых радиосистем. Сравнение с результатами измерения
уровней излучения ЭРД, полученными в металлических вакуумных камерах, показа-
IM
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
ло, что последние имеют завышенные значения. Это связано с резонаторными свой-
ствами металлических вакуумных камер, проявление которых усиливается с умень-
шением длины волны излучения. Поэтому измерение шумовых характеристик ЭРД
необходимо проводить непосредственно в БЭВК, обеспечивающих уровень коэффи-
циента безэховости не хуже -20 дБ. Проведено исследование потенциальных воз-
можностей определения направленных свойств излучения ЭРД непосредственно в
металлических вакуумных камерах.
4. Рассмотрено применение полученных экспериментальных результатов для ре-
шения различных прикладных задач. Так, применительно к задачам совместимости
ЭРД с бортовыми системами КА рассматривается процедура учета вклада излучения
двигателя в общую электромагнитную обстановку. Приводится методика расчета
ЭМС ЭРД с использованием типовых критериев. Полученные результаты могут быть
использованы при разработке наземных комплексов для испытания ЭРД на помехо-
эмиссию в интересах системных задач ЭМС, а также с целью последующей разра-
ботки нормативных документов и стандартов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Попов Г.А. Электрические ракетные двигатели (ЭРД). Разработки ЭРД в России. Роль Московского
авиационного института. Вестник Московского авиационного института, 2005, т. 12, № 2, с. 112-122.
2. Kitamura S. Development of the Engineering Test Satellite-3 (ETS-3) ion engine system. NASA TM-77538,
1984.
3. Caveni L.H., Curran F.M., Brophi J.R. Russian electric space propulsion evaluated for use on American small
satellites. 2nd German-Russian Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, July 1993, p. 134.
4. Kim V., Plokhikh A., Sorokin A., Solomatin A. Methods and means for studying the hall thrusters self-radia-
tion. 2nd German-Russian Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, July 1993, c. 105.
5. Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. М.: Радио и связь, 1982, 128 с.
6. Плохих А.П. Особенности проведения радиоизмерений в металлических вакуумных камерах. Вестник
московского авиационного института, 2004. т. 11, № 2, с. 66-78.
7. Блэксмит и др. Введение в методы измерения радиолокационного поперечного сечения цели. ТИИЭР,
1964, т. 20, №8.
8. Бакулев П.А., Плохих А.П. Расчет и измерение радиолокационных характеристик объектов. Учебное
пособие. МАИ, 1993, 24 с.
9. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: Сов. Радио, 1975.
10. Плохих А.П., Шабанов Д.С. Радиолокационные отражатели и их применение. Зарубежная радиоэлект-
роника, 1992, № 8, с. 77-110.
11. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969.
12. Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. М.: Наука, 1968, 328 с.
13. Докукин В.С., Жулин И.А., Коломиец А.Р. и др. Двухчастотные наблюдения в эксперименте Зарни-
ца-2. Геомагнетизм и аэрономия, 1982, т. 22, № 1, с. 70.
14. Мойся Р.И., Слюсаренко И.И., Коломенец А.Р. и др. Радиолокационные наблюдения мощной плаз-
менной струи в ионосфере (эксперимент Аэлита-1). Проблемы космической физики. Киев: Вища шко-
ла, 1982,№ 17, с. 63.
15. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. М.: Сов. Радио, 1973,496 с.
16. Пермяков В.А., Лебедев А.М., Дорофеев И.В. Радиолокационные характеристики искусственных
плазменных образований. VIII Международная конференция по гиромагнитной электронике и элект-
родинамике, Москва, 1999, с. 307-318.
17. Шувалов В.А., Чурилов А.Е., Быстрицкий М.Б. Искажение радиоотражений от элементов конструкций
КА плазменными струями и образованиями. Физическое моделирование. Космические исследования,
т. 42, №3,2004, с. 238-247.
ГЛАВА 2.6 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И...
735
18. Кравцов Ю.А. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980.
19. Ярыгин А.П. Эффективная поверхность рассеяния аксиально-симметричных плазменных образований
в направлении их оси вращения. Радиотехника и электроника, 1969, т. 14, № 5, с. 912-915.
20. Авдеев В.Б., Лимонов У.А., Ярыгин А.П. Двухпозиционная поверхность рассеяния неоднородных ак-
сиально-симметричных образований. Радиотехника и электроника, 1981, т. 26, № 10, с. 2223-2224.
21. Марьин Н.П. Об эффективной отражающей поверхности ионизированной области, имеющей форму
шара. Радиотехника и электроника, 1965, № 10, с. 235.
22. Пермяков В.А. Дифракционные эффекты в освещенной области неоднородных плазменных образова-
ний. Дисс. на соискание ученой степени д. ф.-м. п. М.: МЭИ, 1994.
23. Плохих А.П., Важенин Н.А., Соганова Г.В. Методы исследования влияния собственного электромаг-
нитного излучения электрических ракетных двигателей на характеристики чувствительности борто-
вых радиотехнических систем КА. Технологии ЭМС, 2002, № 3, с. 22-36.
24. Кирдяшев К.П. Высокочастотные волновые процессы в плазмодинамических системах. М.: Энергоатом-
издат, 1982, с. 142.
25. Измеритель мощности термисторный МЗ-22А. Техническое описание и инструкция по эксплуатации,
2.720.008 ТО, 144 с.
26. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенн. М.: Связьиздат, 1962.
27. Плохих А.П. Безэховые вакуумные камеры и аппаратура наземных комплексов для исследования ха-
рактеристик собственного излучения электрических ракетных двигателей. Технологии ЭМС, 2005,
№ 4, с. 37-50.
28. Plokhikh А.Р., Vazhenin N.A., Sarmiento C.J., Sankovic J.M. Study of the hall thruster self-emission effec-
tive center location within the radio frequency band. 25th Intern. Electric Propulsion Conf., Cleveland, Ohio,
August 1997, pp. 1191-1198.
29. Виноградов E.M., Винокуров В.И., Харченко И.П. Электромагнитная совместимость радиоэлектрон-
ных средств. Л.: Судостроение, 1986.
30. Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия. Т. 16. Воздействие космической среды на
материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. Новикова Л.С. и Панасюка М.И.
М.: ЭНЦИТЕХ, 2000,286 с.
31. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. М.: Энергоатомиздат,
1995.
32. Бородич С.В. ЭМС наземных и космических радиослужб. М.: Радио и связь, 1990, 272 с.
33. Теория и методы оценки электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Под ред. Феок-
тистова Ю.А. М.: Радио и связь, 1988, 216 с.
34. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Роль и значение стандартов Международной электротехни-
ческой комиссии МЭК. Технологии ЭМС, 2002, № 1,2, с. 21-32, 3-18.
35. Кармашев В.С. Электромагнитная совместимость технических средств. Справочник. М.: НТПЦ «Норт»,
2001.
36. Тухас В.А., Пожидаев С.В. Комплекс оборудования для испытаний на электромагнитную совмести-
мость. Технологии ЭМС, 2002, № 1, с. 41-46.
ГЛАВА 2.7
ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
АНТИСТАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Морозов Е.П., Лукьященко В.И., Бабкин Г.В., Иванов В.А.
Центральный научно-исследовательский институт машиностроения
Список сокращений
КА космический аппарат
САС срок активного существования
СВА собственная внешняя атмосфера
ЭОГ электроотрицательный газ
ЭРД электроракетный двигатель
ЭРИ электрорадиоизделия
ЭСР электростатический разряд
ВВЕДЕНИЕ
Накопленный опыт эксплуатации, наземной и летной отработки космических ап-
паратов (КА) позволил свести к минимуму их отказы технического происхождения,
вызванные проектными ошибками и технологическими нарушениями. На первый
план в последнее время выходят проблемные вопросы обеспечения функциональной
устойчивости КА в условиях длительных и динамичных воздействий космической
плазмы. Среди них наиболее значимыми по разнообразию конечных эффектов влия-
ния на бортовую аппаратуру и элементы конструкции КА являются электрофизиче-
ские факторы, в том числе радиационная электризация - поверхностная, объемная и
внутренняя.
ГЛАВА 2.7
ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АНТИСТАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ КА
737
За последние 20 лет отмечены сотни случаев аномального функционирования
бортовой аппаратуры высокоорбитальных КА, объясненных негативным воздействи-
ем статического электричества. Электростатические разряды (ЭСР) приводили к на-
рушению ориентации КА, частичной либо полной утере целевой информации, сбоям
и перерывам в связи, сокращению периода их эксплуатации.
Например, в марте 1989 г., отмеченном мощными вспышками на Солнце и силь-
ными суббуревыми явлениями в земной магнитосфере, были зарегистрированы мно-
гочисленные неполадки более чем на 10 различных геостационарных КА. Радиацион-
ная электризация явилась причиной полной утраты целого ряда спутников, например,
«Telstar-401», «Apstar-2», «Galaxy-4», нескольких аппаратов космической системы «Iri-
dium», ряда спутников на геостационарной и высокоэллиптических орбитах [1-6].
В январе 1994 г. интенсивные потоки высокоэнергетических электронов вызвали
внутреннюю электризацию многих оборонных и коммерческих КА, особенно в Ка-
наде и США, в частности, связных КА «Anik DI, Е1, Е2», отказы аппаратуры кото-
рых практически парализовали систему международных банковских переводов и за-
каза авиабилетов [3].
К настоящему времени благодаря пред-
принятым в нашей стране и за рубежом ши-
рокомасштабным исследованиям физиче-
ской природы явления электризации и раз-
работке эффективных мер антистатической
защиты КА количество неполадок на спут-
никах, обусловленных их радиационной
электризацией и связанными с ней ЭСР,
значительно сократилось. Общая тенденция
снижения количества отказов на отечест-
венных КА показана на рис. 2.7.1.
Тем не менее актуальность проблемы
электризации КА сохраняется, и аномалии в
работе бортовых систем, вызванные ЭСР,
продолжают иметь место как на отечест-
венных, так и на зарубежных КА. В настоя-
щее время главной их причиной считается
внутренняя электризация, т. е. статическая
зарядка незаземленных металлических, а
также поверхностная и объемная зарядка
диэлектрических элементов внутри корпуса
КА проникающими через радиационную
защиту потоками высокоэнергетических
электронов диапазона 0,1-10 МэВ, которые
характерны для внешнего радиационного
пояса Земли. Интенсивность этих потоков
может резко усиливаться в связи с колеба-
ниями уровня солнечной активности, воз-
растая на 2-3 порядка и сохраняя высокие
значения в течение нескольких дней [6, 12].
Рис. 2.7.1. Относительные показатели
пусков отечественных КА по годам:
1 - число пусков N" в год к максимальному
числу А,,™4; 2 - число отказов No в год к
максимальному числу Аотах; 3 - число
отказов No в год к числу пусков Na
738
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
2.7.1. Электростатическая обстановка на КА
Радиационная электризация КА - это сложный и многоплановый процесс, причи-
ной которого является действие на КА космических излучений, прежде всего - пото-
ков электронов космической плазмы. Гипотеза о поверхностной электризации КА
при суббуревых магнитосферных возмущениях была впервые предложена амери-
канским исследователем Де Форестом в 1972 г. для объяснения многочисленных
аномалий в работе систем и бортовой аппаратуры геостационарных КА, происхо-
дивших преимущественно на ночной стороне орбиты и коррелировавших с усиле-
ниями геомагнитной активности [1].
Электростатическая обстановка на КА зависит и от целого ряда других факто-
ров, усиливающих дифференциальную зарядку аппарата и служащих спусковыми
механизмами ЭСР в заряженных материалах и покрытиях, а разряды способствуют
ускоренному изменению электрофизических, оптических и механических свойств
Рис. 2.7.2. Внешние факторы, определяющие электростатическую обстановку на КА
ГЛАВА 2.7
ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АНТИСТАТИЧЕСКОЙЗАЩИТЫ КА
739
Рис 2.7.3. Негативные эффекты электризации КА
конструкционных материалов (их «старению», или деградации), что, в свою оче-
редь, влияет на протекание зарядно-разрядных процессов. В числе таких внешних
факторов - солнечное электромагнитное излучение, солнечные и галактические
космические лучи, микрометеороиды и частицы космического мусора, собственная
внешняя атмосфера (СВА) КА и воздействие атомарного кислорода, эффекты сме-
ны света и тени на поверхности КА, термоциклирование, плазмодинамические
эффекты, связанные с воздействием на аппарат ионосферных таранных ионов и
формированием области спутного следа, процессы электромагнитной индукции,
особенно существенные для больших низкоорбитальных конструкций, наконец,
циклограммы работы самих КА, их систем и бортовой аппаратуры - различного
рода переключения в электрических цепях, маневры ориентации, работа двигателей
и пр. (рис. 2.7.2).
Не менее разнообразны и негативные эффекты электризации, приводящие к сбоям
и отказам в работе КА, способствующие снижению сроков их активного существова-
ния (САС). В первую очередь такие эффекты связаны с ЭСР, которые создают элект-
ромагнитные и световые помехи, паразитные импульсы тока и напряжения. Кроме
того, за счет электризации могут увеличиваться выше допустимого уровня разность
потенциалов между корпусом и шиной питания КА, ионное распыление материалов,
особенно тонких проводящих покрытий, и осаждение загрязнений из СВА, повыша-
ется разрушительное воздействие на аппарат микрометеороидов и искажаются ре-
зультаты измерений в космической плазме (рис. 2.7.3). Наконец, разряды могут сле-
довать в виде сигналоподобных последовательностей, воспринимаемых элементами
системы управления как команды и приводящих к несанкционированным переклю-
чениям в аппаратуре, выдаче ложной информации о работе систем КА и т. д.
740
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Вредные эффекты радиационной электризации КА обуславливают необходи-
мость осуществления мероприятий по их антистатической защите на всех этапах
создания - от проектирования до летно-конструкторских испытаний.
Продолжающееся усложнение конструкции КА, увеличение их разнообразия и
класса решаемых ими задач, миниатюризация и бескорпусное исполнение бортовой
аппаратуры с использованием элементов микроэлектроники и микромеханики, пере-
ход на бесконтейнерную ее установку, применение на КА электроракетных двига-
телей (ЭРД), появление микроспутников, отличающихся особо компактной компо-
новкой приборных блоков, которые связаны между собой низкоэнергетическими ка-
налами системного взаимодействия, - все это способствует повышенной уязвимости
КА по отношению к ЭСР по сравнению с КА предыдущего поколения, оснащавшимися
менее чувствительной электроникой с более свободной ее компоновкой.
Для обеспечения необходимого уровня надежности систем КА, изготовленных с
использованием отечественных электрорадиоизделий (ЭРИ), и повышения САС КА
разработчики идут по пути внутриблочного резервирования (дублирования и троиро-
вания), применения средств реконфигурации и т. д. с фактическим отключением от-
казавших элементов.
С точки зрения функционирования КА, главное отличие поверхностной его элек-
тризации от внутренней заключается в степени влияния ЭСР на элементы аппарату-
ры. В результате повсеместного внедрения пассивного метода антистатической за-
щиты, основным требованием которого является максимальная эквипотенциализация
внешней поверхности КА, он представляет собой, как целое, «клетку Фарадея», в
значительной степени экранирующую внутреннюю аппаратуру от помехового воз-
действия поверхностных разрядов и сводящую их воздействие в основном к скачкам
опорного электрического потенциала неидеальной «земли» спутника.
Между тем, разряды, обусловленные радиационной зарядкой внутренних объемов
КА и его аппаратуры, могут возникать в непосредственной близости от статически
незащищенных либо слабо защищенных схем, а также непосредственно на ЭРИ. При
этом сложность геометрии интегральных схем, практическая невозможность зазем-
ления всех мелких металлических деталей, наличие рабочих напряжений на контак-
тах, а также существенно менее жесткие требования к электропроводности изоляци-
онных материалов в аппаратуре по сравнению с требованиями, предъявляемыми к
материалам и покрытиям внешней поверхности КА, способствуют формированию на
поверхности печатных плат микросхем в процессе их радиационной электризации
крайне неоднородных электрических полей с повышенными значениями напряжен-
ности вблизи разного рода структурных неоднородностей, металлических включе-
ний и т. д.
Факт наличия внутренних ЭСР и вызываемых ими аномалий в работе электрон-
ной, радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры КА практически
доказан многочисленными лабораторными экспериментами, данными с датчика
внутренних разрядов на борту американского спутника CRRES, а также случаями
корреляции аномалий в работе бортовой аппаратуры КА «Voyager-1», SCATHA,
DRA-5, STRV-la, CRRES и др., с увеличениями плотности потока электронов с энер-
гией выше 2 МэВ (по интегральному двухсуточному флюенсу), зарегистрированны-
ми, в частности, геостационарным спутником GOES-7 [5, 6].
ГЛАВА 2.7
ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АНТИСТАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ КА
741
2.7.2. Основные особенности электростатических разрядов
Несмотря на огромный объем проведенных исследований, механизмы ЭСР оста-
ются еще слабо изученными. Общая их теория не разработана, а результаты лабора-
торных экспериментов зависят не только от свойств самого испытуемого материала,
но и в сильной степени - от общей геометрии опыта и характеристик измерительных
схем и электрических цепей.
Считается, что основной и наиболее опасный разрядный механизм при облучении
диэлектрического образца потоком электронов с энергией, достаточной для проник-
новения в объем материала, связан с образованием «дерева разряда» (фигуры Лих-
тенберга), на глубине сформированного объемного заряда с выходом образовав-
шейся плазмы через канал, связывающий фигуру Лихтенберга с поверхностью. С
точки зрения разрушения материала такой разряд менее опасен, чем, например,
электрический пробой слоя диэлектрика между находящимися под напряжением
пластинами конденсатора, потому что, во-первых, в случае ЭСР отсутствует внеш-
ний источник напряжения, способный поддерживать ток в разряде, благодаря чему
разряд быстро гаснет и его разрушающий эффект сводится к локальному оплавле-
нию, испарению либо карбонизации материала, а, во-вторых, фигура Лихтенберга
обычно располагается на определенной глубине и не пронизывает всю толщу ди-
электрика [6].
Согласно гипотезе А. Фредериксона [8, 9], ток разрядного импульса определяется
не электронной эмиссией из изолятора, а газовым разрядом низкого давления (таун-
сендовским разрядом) у поверхности материала. На практике это означает, что ам-
плитуда, длительность, крутизна фронта, полярность и полный заряд ЭСР решаю-
щим образом зависят от расположения заземленных поверхностей в вакуумном
объеме. В результате энергия, передаваемая разрядным импульсом в элемент элек-
тронной схемы, может измениться на порядок величины и более под влиянием, ка-
залось бы, несущественных факторов - таких, например, как геометрия разрядного
пространства.
Данный вывод имеет большое практическое значение, в частности, для ими-
тационных испытаний диэлектрических материалов, покрытий, элементов конст-
рукции КА и отдельных приборов на электризуемость и искробезопасность в усло-
виях электронного облучения. Такие испытания должны рассматриваться во мно-
гом как сравнительные и проводиться на одном и том же экспериментальном
стенде.
На основе результатов лабораторных исследований электризации плоских ди-
электрических образцов толщиной порядка 100 мкм с металлизированной и зазем-
ленной тыльной поверхностью в моноэнергетических потоках электронов с энергией,
как правило, до 20 кэВ, в 1970-х гг. были разработаны так называемые масштабные
законы Балмейна, устанавливавшие связь между параметрами поверхностных ЭСР
и величиной площади поверхности образца 5: пиковый ток разряда пропорциона-
лен 51/2, а высвобождаемый заряд, энергия разряда и длительность импульса про-
порциональны S в степени 1,00, 1,50 и 0,53 соответственно [7]. Однако последующие
исследования показали [9], что вышеуказанные соотношения являются лишь част-
742
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
ным случаем более общего множества законов подобия, содержащих следующие
утверждения.
1. Первоначальные законы подобия действуют преимущественно в случае пло-
ской геометрии, если поле в диэлектрике превышает 106В-см-1 и при этом большие
поверхности почти полностью разряжаются.
2. Ограничение возможности ухода нейтральной газовой компоненты от поверх-
ности образца способствует повышению проводимости в разряде.
3. Расходящиеся электрические поля в вакууме увеличивают амплитуду раз-
рядного импульса в сравнении с полем заряженного образца такой же напряжен-
ности.
4. Частота следования разрядов примерно пропорциональна напряженности элек-
трического поля внутри образца в некоторой положительной степени и падает до
нуля при величине поля несколько ниже 105 В-см-1.
5. Количество инжектированного газа, а значит и его способность к разрядке по-
верхности сильно снижаются с ослаблением внутреннего электрического поля и па-
дают до нуля при напряженности поля менее 105 В-см-1. Пиковое значение тока раз-
ряда, полная величина высвобождаемого электрического заряда и энергия разрядного
импульса уменьшаются аналогичным образом.
6.. Уменьшение частоты следования разрядных импульсов всегда связано со сни-
жением их полного заряда и энергии.
7. Ионизованный при разряде газ распространяется к электродам примерно в со-
ответствии с их площадью, за исключением того случая, когда расходящиеся элек-
трические поля и материальные поверхности изменяют течение тока в газовом разря-
де и влияют тем самым на амплитуду разрядного импульса.
8. Напряжение импульса И(/) на сопротивлении нагрузки 7?i определяется из ус-
ловия, что ток /(/) через это сопротивление, последовательно соединенное с импедан-
сом газового разряда Т?2(0, Дает зависящий от времени потенциал поверхности
Результаты спутниковых и лабораторных исследований процессов радиационной
электризации различных диэлектрических материалов и покрытий КА позволили
сформулировать следующие основные закономерности возникновения и свойства
ЭСР [6, 10, И].
1. Разряды из объема диэлектрика в окружающее пространство, а также поверх-
ностные (подповерхностные) бегущие разряды могут происходить без заметных по-
вреждений структуры поверхности.
2. Разряды могут возникать в объеме изолятора под пленкой металлизации. При
этом материал полностью не разряжается.
3. Если разряд в лабораторных условиях произошел после выключения электрон-
ного пучка, то потенциал поверхности становится более отрицательным.
4. При облучении диэлектриков электронами с энергией 20-30 кэВ возникают
более мощные разрядные импульсы, чем при облучении пучками с энергией
100 кэВ-2 МэВ.
5. Разряды из объема диэлектрика в вакуум могут закорачивать близлежащие элек-
троды и источники питания, а также «заземлять» поверхности других изоляторов.
ГЛАВА 2.7
ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АНТИСТАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ КА
743
6. Скорость распространения поверхностных разрядов такова же, как у острия
пробойного стримера в диэлектрике или как у разряда между электродами, наложен-
ными на поверхность.
7. ЭСР после возникновения могут переходить в другие разрядные формы уже в
самой разрядной плазме, в результате чего получаются различные зависимости токо-
вого импульса от времени.
8. В космических условиях время между повторными разрядами на одиночном
образце может составлять несколько минут, даже если для восстановления потенциа-
ла образца необходимы сутки.
9. В одинаковых условиях облучения могут появляться как периодические, так и
апериодические (хаотические) разряды, причем они могут возникать даже спустя
долгое время (например, час) после установления максимальной интенсивности об-
лучения, а затем полностью прекратиться и вновь возникнуть через несколько суток
после облучения.
10. Последовательность разрядов на поверхности диэлектрического материала не
описывается ни одной из известных статистических закономерностей.
11. В одинаковых условиях облучения одного и того же диэлектрического образца
на нем могут инициироваться как одиночные, так и групповые (множественные) раз-
ряды, причем без какой-либо видимой закономерности. Групповые разряды могут
мгновенно разряжать образец.
12. Разряды на одном образце могут инициировать ЭСР на другом образце, осо-
бенно при наличии общей цепи заземления. Следовательно, на КА в принципе воз-
можны одновременные ЭСР во всех резервированных схемах.
13. Конфигурация и характеристики разрядов зависят от геометрической формы
образцов, способов краевой заделки, параметров цепи заземления, наличия на по-
верхности образца металлических деталей и способов их крепления, а также от ин-
терфейсов с другими изоляторами.
14. Точечные разряды на дефектах структуры поверхности (царапинах, вмятинах,
микроотверстиях и т. д.) могут, повторяясь, переходить в квазистационарные дуго-
вые разряды с прожогом всей толщины материала вплоть до подложки.
15. 3а исключением упомянутых квазистационарных микродуг, общая картина
разрядов на образце в целом не повторяется, т. е. при каждом разряде происходят
микроскопические изменения в материале, и последующие ЭСР обычно имеют уже
несколько иную конфигурацию и локализацию.
16. Наблюдаемые на экранах электронных осциллографов формы разрядных им-
пульсов в значительной степени определяются параметрами измерительной цепи и
лишь косвенно характеризуют сам разрядный процесс. Особенно это относится к
крутизне фронтов, которая непредсказуемым образом зависит от свойств материала и
параметров измерительной цепи. В литературе указывается очень широкий диапазон
значений: от 108 до 1О10 А-с”1. Регистрация крутизны фронтов вообще находится на
грани возможностей измерительной техники.
Наиболее вероятные области возникновения ЭСР на КА - интерфейсы между
различными материалами, они могут искрить даже при напряжении 100 В. Частая
причина неполадок - разряды в кабельной изоляции, в изоляторах антенн, соедини-
744
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
телей, в слабо защищенных интегральных схемах. А поскольку с точки зрения оцен-
ки опасности появления разрядов мельчайшие особенности геометрии и структурные
неоднородности могут играть решающую роль, структура интерфейсов на каждом
конкретном КА является уникальной, из-за чего точный прогноз локализации и па-
раметров разрядов на них вряд ли принципиально возможен. Следовательно, к воп-
росу защиты КА от разрядов целесообразно подходить с инженерных позиций и соз-
давать такие условия, в которых вероятность появления разрушительных ЭСР была
бы сведена к минимуму, а аппаратура сохраняла бы работоспособность при наличии
более многочисленных, но слабых разрядов.
2.7.3. Основные направления совершенствования антистатической
защиты КА
2.7.3.1. Принципы создания антистатической защиты
Дальнейшее совершенствование пассивного метода антистатической защиты КА
связано прежде всего с созданием диэлектрических материалов и покрытий с задан-
ными свойствами, имеющих, в частности, достаточно высокую собственную прово-
димость. При удельном сопротивлении около 1012 Ом-см такие материалы имели бы
время релаксации заряда около 0,2 с, т. е. практически не накапливали бы заряд и в
то же время могли бы служить удовлетворительными изоляторами для большинства
электрических цепей на КА [6]. Впрочем, стремительное развитие нанотехнологий,
связанное с дальнейшим понижением уровня рабочих токов и напряжений в электро-
нике КА, может сделать указанную выше величину электропроводности изоляторов
также неприемлемой.
Поскольку действенность пассивного метода, успешно зарекомендовавшего себя
при защите КА от разрядов, вызванных поверхностной электризацией, ограничена
при борьбе с внутренней зарядкой аппаратов, а использование активных плазменных
средств нейтрализации электрического заряда внутри приборных отсеков и корпусов
аппаратуры КА абсолютно исключено, необходим поиск дополнительных методов и
средств парирования негативных эффектов радиационной электризации.
Одним из таких методов является применение электроотрицательного газа (ЭОГ)
для снижения величины электрического потенциала изоляторов и незаземленных
металлических элементов [10, 11, 13]. Среди обширной группы таких газов наиболее
приемлемым для использования в системе антистатической защиты КА является гек-
сафторид серы SF6 (элегаз) как в силу значительного фагоэлектронного эффекта, так
и вследствие крайне низкой реакционной способности и нетоксичности.
Гексафторид серы давно и успешно применяется в высоковольтных переключате-
лях и автоматизированных телефонных станциях, где требуется подавить искрение
между контактами при большом числе переключений. В названных устройствах эле-
газ используется под давлением в несколько атмосфер, а основным механизмом
подавления развития разрядов является захват электронов молекулами газа, характе-
ризующимися большой величиной сечения этого процесса. В проблеме борьбы с
«внутренними» разрядами в аппаратуре КА главную роль могут играть совсем дру-
ГЛАВА 2.7
ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АНТИСТАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ КА
745
Рис. 2.7.4. Механизм влияния ЭОГ на ЭСР:
Ев - энергетический уровень валентной зоны;
Еф - уровень Ферми; Еп - энергетический
уровень зоны проводимости; Е3 - ширина
запрещенной зоны; %д - энергия электронного
сродства диэлектрика; %Эог - энергия
электронного сродства ЭОГ;
ф - работа выхода электрона
гие свойства элегаза: ионизуемость
(потенциал ионизации 15,7 эВ, - при-
мерно как у аргона), электронное срод-
ство (энергия сродства к электрону
около 1 эВ) и способность молекул эле-
газа легко адсорбироваться на различ-
ных материалах.
Предполагаемый механизм антиста-
тического действия ЭОГ состоит в сле-
дующем. Адсорбированные на заря-
женной поверхности молекулы газа
уменьшают реальную работу выхода
электронов из приповерхностного слоя
материала - адсорбента на величину
своей энергии электронного средства, и
тем самым стимулируют процесс элек-
тронной эмиссии. Молекулы, захваты-
вающие эмитированные электроны,
десорбируются с поверхности под
влиянием сил отталкивания в электри-
ческом поле отрицательного заряда,
уменьшая при этом величину отрицательного потенциала поверхности (рис. 2.7.4).
Слабая ионизация газа заторможенными электронами космического излучения, про-
никшими сквозь защиту, также способствует утечке заряда с поверхности.
Положительную роль в процессе снятия заряда также могут играть и другие ме-
ханизмы:
• перераспределение накопленного в изоляторе объемного заряда в приповерх-
ностные слои за счет сил кулоновского отталкивания в течение времени (по-
рядка суток), сравнимого с периодом формирования внутреннего заряда вы-
сокоэнергетическими электронами, проникающими за защиту;
• механизм развития ЭСР, связанный с образованием таунсендовской лавины в
приповерхностном слое газа, десорбированного с поверхности при разряде ли-
бо выброшенного из канала, соединяющего с поверхностью разрядную фигуру
Лихтенберга.
2.7.3.2. Экспериментальные исследования
Указанное предположение о возможной антистатической эффективности ЭОГ,
особенно элегаза, при защите бортовой радиоэлектронной аппаратуры КА от внут-
ренних разрядов, получило определенное экспериментальное подтверждение
[10, 11, 13].
Различные диэлектрические и металл-диэлектрические образцы заряжались по
обычной схеме [11] электронным пучком с энергией до 30 кэВ и плотностью тока
10"9-10"7 А-см"2 в вакууме ~10~5 торр и в разреженной среде различных газов (аргона,
азота, аммиака, воздуха и элегаза) при давлении 10"4-10-3 торр. В качестве образцов
746
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.7.5. Схема эксперимента по измерению характеристик ЭСР:
1 - исследуемый образец; 2 - датчик электрического поля на
координатном устройстве; 3 - измеритель плотности потока
электронов; 4 - вакуумная камера; 5 - блок контроля питания
электронной пушки; 6 - электрическая схема измерения
импульса тока; 7 - электронно-лучевой запоминающий
осциллограф; 8 - шлейфовый осциллограф; 9 - ампервольтметр;
10 - цепь заземления образца, Rq - 50 Ом.
ЭМИ - электромагнитный импульс электрического разряда
использовались пленки полиэтилена, полиэтилентерефталата и лавсана с металличе-
ской подложкой, а также композиционные материалы и типовые печатные платы с
микросхемами. Потенциал образца измерялся подвижным датчиком вибрационного
типа. Развитие разрядов на образце регистрировалось видеокамерой, а форма и ха-
рактеристики разрядных импульсов - запоминающим электронным осциллографом.
Схема эксперимента приведена на рис. 2.7.5.
Основные результаты исследований сводятся к следующему.
1. На образцах с однородной диэлектрической поверхностью наблюдались ЭСР
различного вида: бегущие (древовидные) и точечные, одиночные и групповые
(рис. 2.7.6). Характерные формы и параметры разрядных импульсов показаны на
рис. 2.7.7. В местах дефектов поверхности возникали микродуговые разряды на за-
земленную подложку. Амплитуда разрядного импульса в цепи заземления подложки
с нагрузочным сопротивлением 50 Ом достигала нескольких десятков ампер.
В среде SF6 при указанном выше давлении потенциал образцов снижался до 50%
первоначальной величины и более, а частота следования разрядов уменьшалась
больше чем на порядок, вплоть до практически полного их исчезновения. Изредка
ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АНТИСТАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ КА
747
ГЛАВА 2.7
Рис. 2.7.6. Разряды на образцах с однородной поверхностью
jmax 10-100 А
Тфр = 50 нс - 1 мкс
появлявшиеся на экране импульсы ЭСР были в 2-10 раз меньше по амплитуде, про-
падали и квазистационарные микродуги.
Менее значительное и менее устойчивое антистатическое воздействие при том же
давлении оказывал воздух, в составе которого присутствует
тальныс использовавшиеся газы поло-
жительного эффекта не дали.
На рис. 2.7.6г показан разряд на по-
верхности лавсанового покрытия после
прекращения подачи элегаза в вакуум-
ную камеру, восстановления в ней
уровня первоначального давления (ме-
нее 10”5 торр), увеличения потенциала
образца до прежней величины и возоб-
новления ЭСР на образце. Полученная
размытая картина типична для газового
разряда, что может служить подтвер-
ждением как действия этого механизма
разряда, так и предположения об ад-
сорбционно-десорбционном механизме
антистатического действия элегаза.
2. На монтажной стороне типовой
печатной платы микросхем в анало-
гичных условиях облучения наблюдались почти исключительно точечные ЭСР, оди-
ночные или групповые (рис. 2.7.8). В атмосфере элегаза потенциал платы снижался
на 20-25%, а разряды почти полностью исчезали. Из остальных газов заметный по-
ложительный эффект, но более слабый, оказывал только воздух.
ЭОГ - кислород. Ос-
Рис. 2.7.7. Характерные формы и параметры
точечных (а) и ветвящихся (б) ЭСР на однородной
диэлектрической поверхности
Л =0,24 А
t = 300 нс
21,4 В Л=0,43А 18,0 В Л=0,36А
/= 550 нс / = 550 нс
Рис. 2.7.8. Токовые импульсы ЭСР на печатной плате
748
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
3. На металл-диэлектрической поверхности сложного рельефа с большим числом
острий в точках пайки элементов (тыльная сторона материнской платы компьютера)
Рис. 2.7.9. Характеристики ЭСР
на металл-диэлектрической поверхности
наблюдались только групповые то-
чечные ЭСР на остриях выводов эле-
ментов вдоль дорожек токопроводов
(рис. 2.7.9а). Во многих случаях такие
множественные разряды инициирова-
лись одним либо двумя начальными
«спусковыми» импульсами относи-
тельно небольшой амплитуды (~0,5 А),
однако с крутыми фронтами - до
107А-с-1 (рис. 2.7.96). Указанная раз-
рядная картина, очевидно, объясняет-
ся более благоприятными условиями
стекания электрического заряда с ост-
рий паек выводов элементов и на гра-
нице токопроводов с диэлектрической
подложкой, где электрические поля
сильно неоднородны. В этом случае
определенный антистатический эф-
фект наблюдался в среде любого из
использовавшихся газов, однако раз-
ряды полностью прекращались только
в элегазе, при этом потенциал платы
снижался втрое. В воздушной среде
такого же давления потенциал упал
примерно в 1,5 раза, максимальная амплитуда ЭСР - вдвое, а частота следования раз-
рядов - приблизительно в 2,5 раза.
Следует отметить, что во всех описанных опытах с участием ЭОГ при отсутствии
видимых разрядов на образце на экране электронного осциллографа наблюдалось
слабое «искрение» на уровне в несколько десятков милливольт, являвшееся, по-
видимому, следствием неравномерности процессов стекания зарядов.
2.7.4. Перспективы совершенствования антистатической защиты
В перспективе антистатическая защита КА должна представлять собой целостную
систему, включающую в себя, кроме непосредственно средств защиты - пассивных и
активных (плазменных, газовых и др.), следующий комплекс технических средств и
организационных мероприятий (рис. 2.7.10):
• аппаратуру контроля внешних условий, уровней накопленных потенциалов,
индикации ЭСР;
• проведение наземных испытаний материалов, элементов, подсистем и аппара-
туры КА на электризуемость, искробезопасность и устойчивость к воздействию
разрядов;
ГЛАВА 2.7
ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АНТИСТАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ КА
749
Рис. 2.7.10. Система антистатической защиты КА: ТТЗ - тактико-техническое задание,
САЗ - система антистатической защиты,
НТД - нормативно-техническая документация
• прогнозные модели горячей плазмы;
• физико-математические модели поверхностной и внутренней зарядки КА;
• организацию централизованной экспертизы аномалий функционирования КА с
идентификацией сбоев и отказов, вызванных разрядами;
• создание централизованной базы данных о спектрах космических излучений,
электрофизических свойствах материалов, неполадках в работе бортовых сис-
тем и аппаратуры КА, характеристиках разрядов.
750 ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАЗДЕЛ 2
При этом необходимый состав антистатических средств должен определяться по
результатам системных исследований КА каждого типа с учетом допустимых уров-
ней риска, экономических и научно-технических факторов [10, 14-16].
Радиационная электризация КА является одним из наиболее сложных и опасных
воздействий на системы и аппаратуру среди других внешних космических и внут-
ренних бортовых факторов. Поэтому решение вопросов антистатической защиты
КА по своей значимости и научно-технической сложности может рассматриваться
как частная типовая задача в общей проблеме обеспечения функциональной устой-
чивости КА. В целом, кроме задачи защиты от внешних воздействий (комплекса
факторов электризации, внешних электромагнитных помех, специфических искус-
ственных помех, например, от работы ЭРД и т. д.), необходимо обеспечить и взаим-
ную совместимость работы подсистем (электромагнитную совместимость блоков
аппаратуры, согласованность их энергопотребления, стабильность режимов теплово-
го баланса и др.).
Структура связей в задаче комплексного анализа влияния различных факторов на
устойчивость функционирования КА упрощенно показана на рис. 2.7.11. В схему
включены не только упомянутые выше внешние и бортовые факторы воздействий,
обусловленные в том числе и радиационной электризацией, но также и другие эф-
фекты, связанные с особыми системными свойствами рассматриваемой задачи: си-
нергетические, способные значительно усиливать суммарное воздействие отдельных
Рис. 2.7.11. Каналы воздействия среды (а) и эффекты (б) взаимного влияния
действующих факторов на системы КА (в)
ГЛАВА 2.7
ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АНТИСТАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ КА
751
факторов (например, инициирование мощного ЭСР ударом микрометеорита), и фан-
томные, являющиеся следствием «дальнодействия» помех по паразитным каналам
связей подсистем. Последние способны искажать структуру взаимодействия подсис-
тем и создавать ложные псевдокоманды (типа несанкционированных переключений в
цепях управления и сигнально подобных импульсов ЭСР), которые могут быть также
случайно записаны в программную память бортовой ЭВМ и привести к непредска-
зуемому сбою и отказу практически в любой подсистеме.
В такой постановке задача антистатической защиты органично вписывается в
общий комплекс задач обеспечения функциональной устойчивости КА, схематиче-
ски показанный на рис. 2.7.12.
Рис. 2.7.12. Структура задач, методы исследования и обеспечения
устойчивости функционирования систем КА
Как видно из рис. 2.7.12, проблема функциональной устойчивости как основное
свойство эксплутационной надежности сложных систем включает в себя много част-
ных вопросов в их системной взаимосвязи. Названное свойство во многом определя-
ет общую надежность ракетно-космических комплексов, а в конечном итоге - и эф-
фективность. Поэтому системное решение частных вопросов в задаче обеспечения
752
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
устойчивости к электрофизическим факторам воздействий космической среды явля-
ется методологическим примером для полигонной отработки системных моделей и
методов разработки технологии увязки комплексных проектных задач при их реше-
нии в общей проблеме надежности ракетно-космических комплексов. Накопленный к
настоящему времени научный потенциал и опыт экспериментальной отработки изде-
лий РКТ [17] в отрасли по решению многих вопросов обеспечения надежности может
быть с успехом использован в решении задач защиты от электрофизических факто-
ров воздействий космической среды. Основные положения нормативных документов
по организации исследований и экспериментальной отработке изделий могут быть
также использованы при создании частных программ отработки электростатической
безопасности изделий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wilkinson D.С. NDAA’s spacecraft anomaly data base and examples of solar activity affecting spacecraft.
Journal of Spacecrafts and Rockets, 1994, v.31, pp. 160-165.
2. Leach R.-D., Alexander M.B. Failures and anomalies attributed to spacecraft charging. NASA Reference
Publication, Aug. 1995, 1375.
3. Ferness T. The cosmic knock-out. Flight International, Oct. 2-8, 1996.
4. Wrenn G.L., Smith R.J.K. Threat to GEO satellites: empirical model for observed effects do to both surface
and internal charging. In: Environmental model for space-based application. Symposium Proceedings,
ESTEC, Noordwijk, 18-20 Sept., 1986, pp. 103-109.
5. Wrenn G.L., Smith R.J.K. Probability factors governing ESD effects in geosynchronous orbit. IEEE Transac-
tions on Nuclear Science, 1996, v. 43, No 6, pp. 2783-2788.
6. Frederickson A.R. Upsets related to spacecraft charging. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1996, v. 43,
No 2, pp. 426-441.
7. Garrett H.В. The Charging of spacecraft surfaces. Reviews of Geophysics and Space Physics, 1981, v. 19,
№4, pp. 577-616.
8. Frederickson A.R., Benson C.E. Gas discharge phenomena in spacecraft discharge pulses. Environment Mod-
elling for Space-based Applications. Symposium Proceedings. ESTEC, Noordwijk, 18-20 Sept., 1996.
9. Frederickson A.R. New scaling laws for spacecraft discharge pulses. Ibid.
10. Бабкин Г.В., Вахниченко B.B., Иванов В.И., Левицкий Ю.Е., Лукьященко В.И., Морозов Е.П.. Анти-
статическая защита отечественных космических аппаратов. Состояние проблемы и перспективы ее
решения. Космонавтика и ракетостроение, 2003, № 1 (30), стр. 5-14.
11. Бабкин Г.В., Иванов В.А., Морозов Е.П., Проблемные вопросы внутренней электризации космических
аппаратов. Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлек-
тронную аппаратуру. Научно-технический сборник, вып. 4. М., 2003, с. 18-25.
12. NASA-HDBK-4002. Avoiding problems caused by spacecraft on-orbit internal charging effects (NASA
Technical Handbook). 1999, Feb. 17.
13. Бабкин Г.В., Иванов B.A., Морозов Е.П. Проблемные вопросы взаимодействия космической плазмы с
космическим аппаратом при решении задачи повышения устойчивости его бортовых систем к нега-
тивным эффектам электростатической зарядки. Космонавтика и ракетостроение, 2004, № 1(34), с. 92-102.
14. McCollum М.В., Neergard L.F. Spacecraft charging effects program at Marshall Space Flight Center. AIAA
Space Programs and Technologies Conference, Huntsville, 1996, Sept. 24-26.
15. Garrett N.B. Future directions in spacecraft charging - 2001 and Beyond. AIAA-2002-0624.
16. Иванов В.А., Лукьященко В.И. Антистатическая защита космических аппаратов в рамках общей про-
блемы обеспечения их функциональной устойчивости. Космонавтика и ракетостроение, 2003, № 1(30),
с. 54-62.
17. Грибанов В.Ф., Рембеза А.И., Голиков А.И. и др. Методы отработки научных и народно-хозяйствен-
ных ракетно-космических комплексов. М.: Машиностроение, 1995, 352 с.
ГЛАВА 2.8
МЕТОДОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Верхотуров В.И., Графодатский О.С.
РКК «Энергия» им. С.П. Королева
Список сокращений
ИИ ионизирующее излучение РЭА радиоэлектронная аппаратура
ИС интегральная схема САС срок активного существования
КА космический аппарат ЭРИ электрорадиоизделия
ПП полупроводниковый прибор ЭСР электростатический разряд
ВВЕДЕНИЕ
В числе основных требований, предъявляемых к бортовым системам космических
аппаратов (КА), особое место занимают требования высокой безотказности и долго-
вечности. Наибольшие трудности в обеспечении этих требований практически на
всех этапах развития космонавтики возникали при создании радиоэлектронных сис-
тем КА, так как для них характерны высокие темпы роста функциональной и аппа-
ратной сложности, а рост требований к надежности и долговечности существенно
опережает рост показателей надежности элементной базы.
Например, для спутников связи «Intelsat» в период с начала 1970-х до середины
1980-х гг. сложность радиоэлектронных систем, оцениваемая по количеству актив-
ных комплектующих электрорадиоизделий (ЭРИ), возросла более чем в 8 раз при
одновременном увеличении срока активного существования (САС) спутников с трех
до десяти лет [1].
754
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Анализ закономерностей развития радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) показы-
вает, что количество активных комплектующих ЭРИ увеличивается с течением вре-
мени по экспоненциальному закону, показатель которого зависит от вида аппарату-
ры [2]. При этом рост надежности элементной базы подчиняется закономерностям,
имеющим ярко выраженные участки насыщения, определяемые тем, что после на-
чального периода достаточно эффективного воздействия на надежность дальнейшие
действия и материальные вложения в совершенствование процессов разработки и
изготовления ЭРИ не оказывают существенного влияния на рост надежности в силу
достижения физических ограничений, присущих каждому классу ЭРИ.
Изложенное может рассматриваться как фундаментальное противоречие, опреде-
ляющее остроту проблемы обеспечения надежности аппаратуры КА, - противоречие
между высокими темпами роста сложности систем и ограниченной скоростью роста
надежности комплектующих изделий. Трудности в обеспечении требуемой надежно-
сти аппаратуры КА возрастают и вследствие повышенной чувствительности микро-
электронной элементной базы к технологическим воздействиям, режимным и экс-
плуатационным факторам, прежде всего к факторам радиационной природы.
Опыт эксплуатации КА показывает, что наибольшее количество отказов бортовой
аппаратуры, связанных с влиянием внешних факторов, обусловлено воздействием
ионизирующих излучений (ИИ) и плазмы космического пространства. При этом ос-
новной причиной повреждения аппаратуры КА являются деградационные процессы в
комплектующих ЭРИ. Таким образом, проблема обеспечения стойкости аппаратуры
КА к воздействию указанных факторов является ключевой в увеличении САС КА и
повышении надежности бортовых систем.
2.8.1. Специфика обеспечения надежности аппаратуры КА с длительными
сроками активного существования
2.8.1.1. Новые подходы к конструированию КА
Создание функционально сложных КА с длительными САС потребовало от раз-
работчиков новых проектных решений. Исторически сложилось так, что все КА вы-
полнялись по моноблочной конструктивно-компоновочной схеме с расположением
аппаратуры преимущественно в гермоотсеках [3]. К достоинствам моноблочной схе-
мы следует отнести возможность применения гермоотсеков большого объема для
расположения аппаратуры, требующей поддержания определенных режимов давле-
ния газовой среды и температуры. Оболочки гермоотсеков при этом используются
как несущая конструкция, что позволяет достаточно успешно решать задачу обеспе-
чения прочности корпуса КА. Недостатками такой схемы являются большая масса
конструкции и наличие значительного числа элементов, предназначенных для обес-
печения герметичности отсеков и поддержания необходимых параметров их атмо-
сферы в процессе эксплуатации. Это ограничивает возможности увеличения полез-
ной нагрузки и повышения надежности и САС КА.
Указанных недостатков лишена свободнонесущая схема. При такой схеме силовая
конструкция выполняется в виде рамы, фермы или их различных сочетаний. К сило-
вым элементам крепятся агрегаты, обеспечивающие полет, и узлы аппаратуры. В
ГЛАВА 2.8
МЕТОДОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ КА К ВОЗДЕЙСТВИЮ...
755
этом случае бортовая аппаратура и комплектующие элементы должны обладать спо-
собностью работать в вакууме, а их тепловой режим обеспечивается пассивной сис-
темой терморегулирования. Свободнонесущая схема дает возможность снизить массу
силовых конструкций и увеличить массу полезной нагрузки до 50-60% от общей
массы КА. При выполнении КА по такой схеме он легко поддается модернизации без
большого объема доработок.
Таким образом, построение КА в негерметичном исполнении по свободнонесу-
щей схеме является наиболее перспективным и экономически выгодным решением,
отвечающим современным объективным тенденциям наращивания потенциала по-
лезной нагрузки, увеличения функциональной сложности и САС КА при одновре-
менном снижении удельных затрат на создание и обеспечение функционирования
единицы полезной нагрузки. Именно по этой схеме впервые в России был построен
КА связи «Ямал-100» и созданы последующие КА «Ямал-200».
Вместе с тем негерметичное исполнение КА в общем случае создает предпосылки
к повышению уровней внешних воздействий на составные части и элементы изделий,
в том числе на комплектующие ЭРИ.
2.8.1.2. Принципы обеспечения радиационной стойкости и надежности систем КА
При увеличении САС КА до 10-15 лет, что при современном уровне развития
технологий обеспечивает оптимальные технико-экономические показатели эффек-
тивности проектов [4], радиационный ресурс комплектующих элементов расходуется
на протяжении всего срока их службы в бортовой аппаратуре. Следовательно, в дан-
ном случае процессы радиационной деградации и старения изделий имеют одина-
ковый временной масштаб. Это является принципиально новым моментом при
обеспечении радиационной стойкости и надежности бортовых систем КА с дли-
тельными САС.
В связи с изложенным следует отметить, что при проектировании КА с относи-
тельно короткими САС (3-5 лет) оценка показателей надежности и радиационной
стойкости аппаратуры обычно проводилась раздельно. Необходимость учета влия-
ния ИИ на процессы старения комплектующих элементов потребовала проведения
обширных исследований и создания новых методов управления надежностью аппа-
ратуры [5].
Работы по обеспечению надежности и радиационной стойкости взаимосвязаны. В
аппаратуре современных КА более 90% всех комплектующих изделий составляют
полупроводниковые приборы (ПП) и интегральные схемы (ИС), которые, в отличие
от ЭРИ других классов, характеризуются меньшим уровнем радиационной стойко-
сти. Показатель стойкости ПП и ИС определяется как уровень излучения, характери-
зуемый, например, поглощенной дозой, при котором сохраняется работоспособность
элементов и их параметры остаются в пределах допустимых норм. Он является
функцией интенсивности излучения, напряжения питания, схемотехнического вклю-
чения, характера функционирования, рабочей температуры в течение активного
функционирования, температуры в нерабочем состоянии (в режимах пассивного ре-
зервирования или хранения) и характера облучения (многократное или однократ-
ное) [6]. Для каждого ЭРИ необходимо обеспечить такие условия работы, при кото-
рых показатель его стойкости не ниже предельно допустимой величины.
756
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Выполнение указанного требования достигается путем выбора необходимого
термоэлектрического режима работы ЭРИ, использования схемотехнических и функ-
ционально-алгоритмических методов, применения локальной защиты наиболее ра-
диационно-чувствительных изделий, а также защиты аппаратуры КА в целом.
Если значения интенсивности излучения таковы, что дозы, близкие к уровням
стойкости изделий, поглощаются за промежутки времени, сравнимые со сроками
службы изделий, процессы старения ЭРИ протекают в условиях действия ИИ на про-
тяжении всего жизненного цикла изделий в составе аппаратуры КА. В этом случае
проблема обеспечения радиационной стойкости трансформируется в проблему обес-
печения надежности в условиях воздействия ИИ.
Для определения граничного значения интенсивности излучения сргр, при котором
происходит указанная трансформация, предложено в качестве первого приближения
использовать следующее условие [5]:
где £)нд - уровень стойкости изделия по дозе, установленный в нормативной доку-
ментации; /сл - срок службы изделия.
Для ПП и ИС, уровень стойкости которых составляет ~104-106 рад, при уста-
новленных в технических условиях значениях /сл ~ 20-25 лет можно получить
Фгр ~ 10"5-10"3 рад-с"1. Для отдельных соединителей и конденсаторов с уровнем стой-
кости 107-108 рад и /сл ~ 15 лет имеем ср1р ~ 10~2-10-1 рад-с"1. Отметим, что гранично-
му значению интенсивности излучения можно поставить в соответствие граничное
значение толщины защиты dip.
Таким образом, для аппаратуры, проектируемой для работы в условиях, где ин-
тенсивность излучения (р > сргр (или размещенной за защитой d < dip), все проектные
оценки и наземная отработка ее составных частей (комплектующих изделий, отдель-
ных блоков) и аппаратуры в целом должны осуществляться с использованием мето-
дических подходов обеспечения надежности, учитывающих действие ИИ совместно
с нерадиационными факторами. К такой аппаратуре в случае геостационарных КА
можно отнести аппаратуру, размещенную за защитой менее 0,9-1,0 г-см"2.
2.8.1.3. Оценка надежности аппаратуры КА с учетом радиационных факторов
Вероятность безотказной работы аппаратуры за время t в условиях, характеризу-
емых параметром 8, в общем случае может быть определена по формуле:
Р(/,8) = ехр -|Х(/,£)б7/ ,ее£,
< о >
где Е - множество условий эксплуатации: радиационные, климатические, механиче-
ские и др.; Х(/,8) - интенсивность отказов аппаратуры в условиях 8.
Если величина Х(/, 8) слабо зависит от времени, то при разложении ее в ряд Тей-
лора на интересующем нас интервале времени, например, в течение САС КА, можно
пренебречь всеми членами, кроме первого. Тогда приведенное выражение преобразу-
ется к широко используемому на практике экспоненциальному выражению для веро-
ятности безотказной работы:
ГЛАВА 2.8
МЕТОДОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ КА К ВОЗДЕЙСТВИЮ...
757
Р(/,8) = е’Ме)'.
Как правило, на практике вероятность безотказной работы аппаратуры определя-
ют по значениям интенсивностей отказов комплектующих элементов Х,(/, 8). Тогда
надежность, например, нерезервируемой системы, состоящей из т элементов, будет
определяться выражением:
т t
V /=| о
т
=Пш=ехр
/=|
Таким образом, задача оценки надежности аппаратуры, работающей в полях ИИ,
сводится к оценке интенсивностей отказов комплектующих элементов с учетом ра-
диационных воздействий. Это выполняется путем проведения специальных испыта-
ний [7] или по данным анализа результатов эксплуатации.
В теории и практике обеспечения надежности на основе имеющихся эксперимен-
тальных данных, физических закономерностей и теоретических представлений были
предложены различные модели расходования ресурса изделий, базирующиеся на
следующих принципах [8]:
• наследственности, т. е. сохранения в процессе производства определенного ха-
рактера зависимости показателей надежности изделия от внешних и внутрен-
них факторов;
• аддитивности во времени величины израсходованного ресурса (гипотеза Май-
нера [9]);
• марковского характера процессов расходования ресурса, т. с. независимости
оставшегося ресурса от способа выработки ресурса в прошлом (принцип Седя-
кина: две партии однотипных изделий, израсходовавшие одинаковый ресурс,
будут обладать одинаковой надежностью) [10].
На основе указанных принципов удалось получить решение многих важных прак-
тических задач ускоренного контроля надежности элементов РЭА без учета воздей-
ствия радиационных факторов.
Возможность выполнения указанных принципов в условиях воздействия ИИ тре-
бует дополнительного анализа. Выполнение принципа наследственности при экс-
плуатации ПП и ИС вытекает из следующих закономерностей:
• эмпирические зависимости параметров ПП и ИС от потока (дозы) излучения
имеют качественно одинаковый характер не только для единичных изделий из
разных партий, но и для различных типов изделий одного класса [11];
• коэффициенты относительной эффективности воздействия разных видов излу-
чений, а также одного вида излучения с различным энергетическим спектром,
одинаковы для приборов разных классов, параметры которых зависят от одних
и тех же характеристик исходного полупроводникового материала [12, 13].
Принцип аддитивности величины израсходованного ресурса изделий является
следствием физической закономерности суммирования радиационных повреждений
при умеренных поглощенных дозах, когда скорость рекомбинации носителей заряда
линейно зависит от величины потока радиации. Во многих случаях для ПП, показа-
тели стойкости которых являются функцией режима и характера облучения, резуль-
тат последующего облучения зависит от истории и предыдущего состояния приборов
(уровня облучения, перерывов в облучении, термического отжига) [6].
758
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Таким образом, можно констатировать, что для ПП и ИС, работающих в условиях
воздействия ИИ, принцип наследственности выполняется, а принципы аддитивности
и марковского характера процессов выполняются только в случае линейного во вре-
мени накопления радиационных повреждений.
2.8.2. Квалификация аппаратуры КА по критериям радиационной стойкости
На основании рассмотренных выше принципов оценки надежности аппаратуры
КА разработана методология квалификации аппаратуры КА по критериям соответст-
вия условиям эксплуатации. Последовательность определения показателей стойкости
выбирают с таким расчетом, чтобы полностью учесть все эффекты, вызываемые воз-
действием ИИ. Используемые методы должны позволять определять показатели
стойкости аппаратуры к действию ИИ по дозовым эффектам, эффектам перемежаю-
щихся сбоев и одиночных катастрофических отказов, связанных с действием высоко-
энергетических одиночных тяжелых заряженных частиц и протонов. Структурная
схема определения показателей стойкости аппаратуры приведена на рис. 2.8.1.
Следует учитывать, что на этапе формирования технического задания (ТЗ) на раз-
работку аппаратуры детально оговариваются состав и характеристики ИИ, в услови-
ях воздействия которых предстоит эксплуатировать аппаратуру, перечень основных
параметров аппаратуры и допустимые пределы их изменений, вероятность сохране-
ния этих параметров в пределах установленных норм, допустимость или недопус-
тимость сбоев и катастрофических отказов при воздействии высокоэнергетических
тяжелых заряженных частиц и протонов и т. п. Содержащаяся в ТЗ информация яв-
ляется исходной для разработки конкретных программ по обеспечению надежности и
стойкости к воздействию ИИ, охватывающих все стадии создания аппаратуры.
На этапе эскизного проектирования может возникнуть потребность в уточнении
характеристик полей ИИ в местах размещения аппаратуры, оценке возможности
снижения уровней излучений специальными защитными экранами, проведении тео-
ретических и экспериментальных исследований радиационной стойкости узлов аппа-
ратуры и комплектующих изделий.
На этапе технического предложения в процессе анализа технической документа-
ции и изучения аппаратуры, функциональных и принципиальных электрических схем,
перечня комплектующих изделий и конструкционных материалов определяются ха-
рактер и последовательность решаемых задач, особенности конструирования и при-
менения аппаратуры, характеристики полей воздействующих излучений, величины
допусков на выходные параметры и значения вероятности их сохранения в заданных
пределах, состав и номенклатура комплектующих элементов и конструкционных ма-
териалов. Учитывается также наличие справочных данных о стойкости комплектую-
щих элементов, возможность варьирования режимов функционирования аппаратуры,
целесообразность применения того или иного метода оценки радиационной стойко-
сти и т. д. Затем на основании анализа возможных эффектов, возникающих в элек-
трических цепях аппаратуры в процессе облучения, и справочных данных о радиаци-
онной стойкости материалов и комплектующих элементов определяются возможные
виды отказов, интенсивность одиночных сбоев и катастрофических отказов ИС и ПП
и оцениваются последствия, к которым они могут привести в аппаратуре.
ГЛАВА 2.8
МЕТОДОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ КА К ВОЗДЕЙСТВИЮ...
759
Рис. 2.8.1. Схема определения показателей стойкости аппаратуры различными методами
2.8.3. Комплекс мероприятий по обеспечению радиационной стойкости
систем КА
Рассматриваемый комплекс мероприятий основывается на описанном выше алго-
ритме проектирования радиационно-стойких КА, используемом в практике работы
предприятий космической отрасли [14]. Схема методологии обеспечения стойкости
(РЭА) КА к радиационному воздействию представлена на рис. 2.8.2.
При проектировании КА важно знание точных величин параметров радиации, со-
ответствующих конкретной орбите, и задание на их основе корректных требований к
радиационной стойкости КА и РЭА. Точность задаваемых требований является опре-
деляющей для рационального использования массогабаритных ресурсов КА, что
весьма актуально в условиях их жесткого лимитирования. Весьма желательным явля-
ется уточнение характеристик космических излучений, воздействующих на КА на
конкретных орбитах. Это обеспечивается установкой на КА (хотя бы на первых лет-
ных образцах) специальной патрульной аппаратуры для контроля уровней радиации
на орбите в течение всего срока функционирования КА.
После разработки конструкторской документации проводятся расчетно-экспери-
ментальные оценки радиационной стойкости РЭА и (при необходимости) анализ со-
ответствия заданным требованиям по стойкости с определением мер защиты РЭА от
760
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Выбор
комплектующих
ЭРИ с повышенной
радиационной
стойкостью
Выбор оптимального
варианта схемно-
конструкторского
построения
РЭА
Задание требований
по радиационной стойкости
на спутник
и комплектующую
его РЭА
Анализ радиационной
обстановки в местах
расположения конкретной
аппаратуры, выпуск
радиационной схемы спутника
Выбор электрических
режимов функцио-
нирования ЭРИ,
обеспечивающих
номинальную
деградацию их
параметров при
воздействии ИИ КП
Расчетно-
экспериментальные
оценки радиационной
стойкости РЭА
Защита спутника от
поражающего воздействия
радиации
оптимизация компоновки
РЭА на приборной раме с
учетом радиационной схе-
мы спутника
введение общей или ло-
кальной защиты
наиболее чувствительных
компонентов
отбор ЭРИ по критериям
чувствительности их пара-
метров к радиации
выбор алгоритмов управле-
ния РЭА, обеспечивающих
повышение радиационной
стойкости
Проведение
испытаний
РЭА в полях
ИИ модели-
рующих
установок
(при необхо-
димости)
Оценка
действенности
принятых мер
по защите на
этапе ЛКИ
Контроль уровней
радиации с помощью
патрульной
аппаратуры на борту
спутника
Рис. 2.8.2. Методология обеспечения радиационной стойкости КА
поражающего воздействия радиации. Подтверждение показателей стойкости осуще-
ствляется испытаниями критичных блоков РЭА на«моделирующих установках. За-
ключительная оценка соответствия требованиям по стойкости РЭА и действенности
принятых мер по защите дается на этапе летно-конструкторских испытаний (ЛКИ) с
учетом информации патрульной аппаратуры.
Снижение до приемлемого уровня интенсивности отказов комплектующих ЭРИ
осуществляется за счет ряда мероприятий [15], в число которых входят квалифика-
ция ЭРИ, оптимизация и ограничение термоэлектрических и внешних нагрузок на
ЭРИ; отбор ЭРИ методами, выявляющими изделия со скрытыми производственными
дефектами.
Методической основой решения этих задач являются результаты исследований по
установлению связи между так называемыми «длительной стойкостью» и «кратко-
временной стойкостью» ЭРИ [16].
При разработке РЭА, содержащей логические элементы цифровой электроники,
закладываются режимы, исключающие сбои под действием тяжелых ядер галактиче-
ских космических лучей и протонов высокой энергии. Повышение стойкости к пора-
ГЛАВА 2.8
МЕТОДОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ КА К ВОЗДЕЙСТВИЮ...
761
жающему воздействию подобных частиц обеспечивается алгоритмическими методами
защиты, избыточностью (резервированием), использованием мажоритарного построе-
ния элементов и узлов.
Повышение радиационной стойкости схем путем оптимизации электрических ре-
жимов изделий основано на использовании зависимости стойкости некоторых клас-
сов ЭРИ от режима их работы. Эффективность этого мероприятия зависит от типа схе-
мы и степени влияния электрического режима на стойкость применяемых ЭРИ.
Современные методы подтверждения и определения реальной радиационной
стойкости РЭА КА основаны, главным образом, на экспериментальной информации,
полученной в результате радиационных испытаний в полях ИИ лабораторных моде-
лирующих установок. Однако неадекватность в моделировании натурных условий
эксплуатации и высокая стоимость изготовления и испытаний РЭА при ограничен-
ной выборке испытываемых образцов вызывают необходимость разработки новых
методических подходов к оценке и подтверждению радиационной стойкости борто-
вой аппаратуры КА.
Использование компьютерных методов оценки радиационной стойкости позволя-
ет учесть конкретные схемотехнические решения РЭА, оценить предельную стой-
кость РЭА на основании испытаний отдельных ЭРИ, входящих в состав системы, что
повышает статистическую достоверность оценки радиационной стойкости РЭА. В
нашей стране существуют программы компьютерного анализа работоспособности
электронных схем, разработанные для задач САПР РЭА, многие из которых можно
использовать для моделирования функционирования сложных электронных схем
РЭА КА в условиях воздействия ИИ - АРОПС, СПРОС, ПАУМ-1, ПАУ М-2, СПАРС,
ЭЛАИС, ПАРМ, МАЭС [17].
Эффективность перечисленных программ при решении задач оценки радиацион-
ной стойкости РЭА КА в значительной степени определяется полнотой и качеством
информационного обеспечения, которое представляет собой проблемно ориентиро-
ванную базу данных, существенной частью ее являются библиотеки макромоделей
дискретных ЭРИ, аналоговых и цифровых ИС.
Существующий комплекс макромоделей ЭРИ, разработанный для пакета при-
кладных программ типа МАЭС, включает в себя математические модели как анало-
говых, так и цифровых ИС. Базовая модель имеет центральное функциональное ядро,
соответствующее основной целевой функции применения того или иного класса ИС,
и периферийное обрамление, позволяющее моделировать специфические свойства
ИС, связанные с технологическими особенностями их конкретных серий. Модель
представляется в виде эквивалентной электрической схемы.
Учет влияния радиации и других дестабилизирующих факторов, например, тем-
пературы и перепадов напряжения источников питания, на параметры математиче-
ской модели ЭРИ весьма затруднителен из-за сложности получения аналитической
зависимости выходных параметров ЭРИ от указанных факторов.
Одним из подходов к моделированию параметров ЭРИ [18] является оценка воз-
действия дестабилизирующих факторов на отдельные компоненты схемы, а затем
представление деградационной зависимости в виде дополнительных генераторов то-
ка, которые вносятся в эквивалентную схему математической модели. Изменение
выходных параметров ЭРИ, получаемое в процессе моделирования, служит как кри-
762
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
терием нахождения выходных параметров в требуемых по стойкости пределах, так и
методом определения условий, при которых обеспечивается необходимая стойкость.
По описанной методологии было проведено моделирование функционирования
широкого класса блоков управления РЭА КА и рассчитана их радиационная стой-
кость. Полученные экспериментальные данные по радиационным испытаниям этих
блоков в лабораторных экспериментах подтвердили показатели стойкости, рассчи-
танные с помощью пакета программ МАЭС [19, 20].
Рассмотренный комплекс мероприятий позволяет существенно повысить стой-
кость бортовой аппаратуры КА к воздействию космической радиации и тем самым
увеличить надежность и САС КА.
2.8.4. Отработка систем КА на устойчивость к воздействию
электростатических разрядов
Следствием поверхностной и объемной электризации элементов конструкции КА
являются электростатические разряды (ЭСР), сопровождаемые протеканием им-
пульсных токов и генерацией электромагнитных импульсов (ЭМИ), которые могут
приводить к повреждениям и сбоям в аппаратуре.
Для борьбы с поверхностной электризацией КА и связанными с этим явлением
эффектами разработаны достаточно действенные методы, которые применяются на
практике. Методы и средства парирования эффектов внутренней электризации КА в
настоящее время разработаны недостаточно. Использование экранной защиты, на-
пример, корпуса прибора для снижения плотности потока высокоэнергетических элек-
тронов до уровня ниже критического (-6-105 см"2-с-1), при котором внутренняя элект-
ризация практически исключается (для геостационарной орбиты это обеспечивается
за защитой более ~0,7 г-см"2), не всегда реализуется на практике. В связи с этим учет
сбоев в ИС, вызванных ЭСР, является необходимым для правильной интерпретации
данных о сбоях комплектующих элементов в составе аппаратуры КА.
Внутренние ЭСР и вызываемые ими сбои в ИС в определенной степени коррели-
руют с вариациями потока высокоэнергетических электронов космического про-
странства. Следует также учитывать, что при воздействии ЭМИ от внутренних ЭСР
возможны групповые сбои в ячейках памяти (двойные ошибки). Отмеченные особен-
ности позволяют организовать выделение из общего потока сбоев составляющей,
связанной с воздействием внутренних ЭСР. Однако это возможно только при нали-
чии дополнительной информации о плотности и спектрально-энергетических харак-
теристиках ИИ в местах расположения ИС.
Для обеспечения надежного функционирования бортовой РЭА в условиях элект-
ризации КА необходимо определить пути проникновения помехового сигнала и при-
нять необходимые защитные меры. Хорошая экспериментальная и техническая про-
работка данных вопросов в натурных условиях практически невозможна. Для этого
проводятся наземные испытания РЭА с выдачей соответствующих рекомендаций и
дальнейшей проверкой их в летных условиях [21]. Методики испытаний систем КА
на устойчивость к воздействию к ЭСР должны удовлетворять следующим требовани-
ям: по механизмам поражения и их уровням соответствовать натурным, не выводить
ГЛАВА 2.8
МЕТОДОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТОИКОСТИЮуКВОЗДЕЙСТВИЮ...
763
дорогостоящую аппаратуру из строя, быть простыми в употреблении и не требовать
построения специальной стендовой базы, позволять контролировать уровни воздей-
ствия и уровни помеховых сигналов, наводимых в электронных трактах бортовой
аппаратуры.
Можно выделить следующие виды помеховых сигналов:
• электромагнитное излучение канала разряда (электрическая составляющая);
• индуктивная наводка, вызываемая протеканием токов разряда по конструкции
КА;
• емкостная наводка, вызванная электрическими пробоями с выбросами заряда в
вакуум или инжекцией заряда при пробое в корпус КА или электрическую цепь
бортовой аппаратуры;
• квазистатическая наводка, вызванная дифференциальным заряжением поверх-
ности солнечной батареи (СБ) относительно корпуса КА.
Для воспроизведения этих видов воздействия были разработаны специальные ге-
нераторы электрических разрядов (рис. 2.8.3). Электромагнитное излучение имити-
руется разрядным устройством, представляющим собой два проводящих наконеч-
ника, закрепленных в электрическом коаксиальном цилиндре. Изменяя расстояния
между наконечниками и их ориентацию в пространстве, можно существенным об-
разом изменять уровни воздействия. Схематически этот вид испытаний показан
на рис. 2.8.3а. Индуктивная наводка реализуется по схемам, представленным на
рис. 2.8.36 и 2.8.Зв. В данном случае используется разрядный неэкранированный
контур, по которому пропускается разрядный ток (0-100 А). Испытуемый кабель,
прокладываемый рядом с корпусом бортовой аппаратуры, обеспечивает токовую на-
водку при протекании разрядных токов в целом по конструкции КА. Установка рези-
сторов (Rl, R2, R3) обеспечивает градацию протекающих токов по величине.
Разряд в вакуум имитируется по схеме, показанной на рис. 2.8.3г, а разряд в кор-
пус или электрическую цепь - по схеме рис. 2.8.3д с использованием антенны (А). Во
Рис. 2.8.3. Схемы применения имитационных генераторов при исследовании
воздействия электрических помех на бортовые системы КА
764
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
всех перечисленных схемах испытания проводятся с помощью специально разрабо-
танного генератора (Г1) высокого напряжения «Искра», который представляет собой
устройство, содержащее блок преобразования напряжения и необходимые разрядные
элементы (Р). Генератор имеет следующие характеристики: напряжение зажигания
разряда - 20 кВ, пиковый ток в разрядном импульсе - 100 А, энергия в разрядном
импульсе - 50 мДж, длительность фронтов импульса тока - 100 нс.
Для имитации разрядных процессов на поверхности СБ КА используется генера-
тор ЭСР (Г2) в соответствии со схемой (рис. 2.8.Зе). Этот генератор вырабатывает
пилообразное напряжение отрицательной полярности с амплитудой от 1 до 20 кВ,
время нарастания которого регулируется в пределах от 0,5 до 5 с.
Квазистатическая помеха между шиной питания и корпусом КА исследуется по
схеме рис. 2.8.3ж с помощью генератора ГЗ, который вырабатывает постоянное на-
пряжение с максимальной величиной 10 кВ.
Методика испытаний должна обеспечивать плавный рост воздействия от неко-
торого минимального уровня до максимального. Помеховые сигналы низкого
уровня позволяют выявить реакцию той или иной системы КА на воздействие и в
то же время не приводят к разрушению дорогостоящей аппаратуры. В случае нача-
ла аномального функционирования аппаратуры испытания ее прекращаются, про-
изводится анализ путей проникновения помехи и осуществляются необходимые
усовершенствования, после чего испытания проводятся вновь. В случае, если сис-
тема при этом уровне воздействия работает нормально, переходят к следующему
уровню, большему по величине, и так последовательно до максимального.
Испытания КА на стойкость к ЭСР можно проводить как по системам, так и в це-
лом. Испытания отдельной системы (аппаратуры) необходимо проводить в условиях,
наиболее приближенных к реальной конструкции. Вначале обычно проводится отра-
ботка на устойчивость к электромагнитным импульсам. При этом исходное расстоя-
ние между источником и бортовой аппаратурой выбирается таким, чтобы уровень
помех был на 1-2 порядка меньше предельно допустимого, который оценивается
теоретически. Продолжительность воздействия определяется временем, необходи-
мым для оценки информации, поступающей с аппаратуры. В дальнейшем проводятся
испытания (в последовательности, соответствующей возрастанию уровня помех) на
устойчивость к индукционному воздействию, при разрядах в корпус, вакуум и непо-
средственно в электрическую цепь.
Изложенная методика испытаний стойкости бортовых систем КА к воздействию
ЭСР позволяет эффективно проверять защищенность КА без разрушения аппаратуры.
Существенным достоинством метода является то, что не требуется создания специ-
ального стенда, поскольку все испытания проводятся на штатном рабочем месте.
На основании имеющегося опыта разработки и испытаний КА может быть сфор-
мулирована общая методология обеспечения стойкости их бортовых систем к воз-
действию электризации. Основные элементы этой методологии представлены на
рис. 2.8.4. Для минимизации негативных эффектов, вызываемых электризацией,
проводится комплекс работ, включающий оптимизацию конструкции КА с исполь-
зованием результатов математического моделирования процессов электризации,
применение проводящих покрытий, расчет уровней помеховых сигналов и выбор
необходимой степени экранирования, отработку систем КА на стойкость к воздей-
ГЛАВА 2.8
МЕТОДОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ КА К ВОЗДЕЙСТВИЮ...
765
Рис. 2.8.4. Методологии обеспечения стойкости КА к воздействию электризации
ствию ЭСР и др. Данная методология может использоваться при создании любых
КА, функционирующих в условиях воздействия факторов электризации.
Обобщение опыта обеспечения стойкости КА к воздействию ИИ позволило раз-
работать практические методы управления процессами создания аппаратуры КА с
требуемым уровнем технико-эксплуатационных характеристик [2].
Технические методы направлены на повышение надежности путем программного
управления процессами проектирования, производства и эксплуатации КА, снижение
влияния факторов космического пространства, создание и сохранение запасов по
расходуемым ресурсам. Эта группа методов включает проведение квалификации на
всех уровнях разукрупнения КА, надежностное проектирование и изготовление со-
ставных частей, парирование отказов программными и аппаратными средствами и
проведение других мероприятий.
Организационные методы предусматривают контроль качества процессов и про-
дукции, документирование результатов и детальную верификацию этапов работ по
проектам, анализ причин отказов, контроль реализации мер по исключению и преду-
преждению причин отказов и ряд других мероприятий.
766
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
ЛИТЕРАТУРА
1. Сретенский В.Н. Динамика роста сложности в радиоэлектронике и проблема миниатюризации. Радио-
техника, 1995, с. 4-5.
2. Севастьянов Н.Н., Верхотуров В.И. Управление техническими рисками в проектах создания КА спут-
никовых систем связи. Вестник МАИ, 2005.
3. Козлов Д.И., Аншаков Г.П., Агарков В.Ф. и др. Конструирование автоматических космических аппа-
ратов. Под ред. Козлова Д.И. М.: Машиностроение, 1996, 448 с.
4. Верхотуров В.И. Проблемы обеспечения радиационной стойкости элементов и аппаратуры современ-
ных спутников связи. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на
радиоэлектронную аппаратуру, 2004, вып. 6.
5. Верхотуров В.И. Ионизирующие излучения и надежность аппаратуры космической техники с дли-
тельным сроком активного существования. Инженерная физика, 2005.
6. Першенков В.С., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах инте-
гральных микросхем. М.: Энергоатомиздат, 1988, 256 с.
7. O’Donnel Н.В., Lomen I.M., Ritter Р., Stahlmaron I.R. Spacecraft hardness assurance programs. IEEE Trans-
actions on Nuclear Science, 1986, v. 33, No 6.
8. Карташов Г.Д. Модели расходования ресурса изделий электронной техники. Обзоры по электронной
технике. Электронная техника, сер. 8. Управление качеством, метрология, стандартизация, 1977, вып. 1.
9. Карташов Г.Д. О гипотезе Майнера и принципе Седякина. Изв. АН СССР, сер. Техническая киберне-
тика, 1970, № 6.
10. Седякин Н.М. Об одном физическом принципе теории надежности. Изв. АН СССР, сер. Техническая
кибернетика, 1966, № 3, с. 80-87.
11. Бржезинский В.А., Сперанский А.В. Физические основы создания моделей расходования ресурса
изделий электронной техники для оценки и прогнозирования их надежности в условиях облучения.
СВАНТ, сер. Воздействие излучений на аппаратуру, элементы и материалы, 1980, вып. 3(18), с. 34-37.
12. Коршунов Ф.Т., Гатальский Г.В., Иванов Г.М. Радиационные эффекты в полупроводниковых прибо-
рах. Минск: Наука и техника, 1978, 232 с.
13. Резнов С.А. Романенко А.В., Тутаров Ю.Ф. Экспериментальное исследование эффективности радиа-
ционного повреждения полупроводниковых приборов при гамма-нейтронном облучении. СВАНТ,
сер. Воздействие излучений на аппаратуру, элементы и материалы, 1978, вып. 2(11).
14. Верхотуров В.И. Методология обеспечения стойкости геостационарных космических аппаратов связи
с длительным сроком существования к воздействию внешних эксплуатационных факторов. Вопросы
атомной науки и техники, сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру,
2002, вып. 4, с. 66-71.
15. Верхотуров В.Н. и др. Проектирование надежных спутников связи. Томск: МГП «РАСКО», 1993, 221 с.
16. Карташов Г.Д., Верхотуров В.И. Об установлении связи между длительной и кратковременной стой-
костью изделия. Труды Международного симпозиума. Пенза, 2002, с. 343-346.
17. Верхотуров В.И., Графодатский О.С., Захаронко А.И., Кухарский А.В. Сравнительный анализ ППП
автоматизации схемотехнического моделирования, используемых для оценки радиационной стойкости
БА КА. Обзор по материалам отечественной и зарубежной печати за 1972-1988 гг. Под ред. Исляе-
ва Ш.Н. ЦНТИ «Поиск», сер. ХП, 1989, № 45.
18. Верхотуров В.И., Захаронко А.И., Исляев Ш.Н. Оценка радиационной стойкости РЭА с использовани-
ем макромоделей ИМС. Физика радиационного воздействия на РЭА, 1986, вып. 2, с. 71-73.
19. Верхотуров В.И., Захаронко А.И., Исляев Ш.Н. Макромодели интегральных схем для оценки работоспо-
собности РЭА при воздействии ионизирующих излучений. Физика радиационного воздействия на РЭА,
1983, вып. 3, с. 107-109.
20. Верхотуров В.И., Захаронко А.И., Исляев Ш.Н. Применение макромоделей ЭРИ для прогнозирования
работоспособности ИМС в условиях открытого космического пространства. Физика радиационного воз-
действия на РЭА, 1987, вып. 3, с. 54-57.
21. Графодатский О.С. Методы и средства защиты искусственных спутников Земли от неблагоприятного
воздействия космической среды. В кн.: Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия. Т. 17.
Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. Но-
викова Л.С., Панасюка М.И. М.: ЭНЦИТЕХ, 2000, с. 214-246.
ГЛАВА 2.9
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Антонов В.М.
Институт лазерной физики СО РАН
Список сокращений
ГДУ газовая двигательная установка
ИЭР импульсный электрический разряд
СБ солнечные батареи
ФЭП фотоэлектрические преобразователи
ЭВТИ экранно-вакуумная теплоизоляция
ЭРДУ электрореактивная двигательная установка
ВВЕДЕНИЕ
Возможность моделирования при изучении физических явлений основана на не-
зависимости происходящих процессов от выбора системы измерений. Протекание
электромагнитных процессов в среде описывается системой уравнений Максвелла,
связывающих электрические заряды и их движение характеристиками электрических
и магнитных полей. Пять параметров подобия, полученных из данных уравнений,
позволяют установить требования к лабораторному эксперименту [1]:
ni=g£7pv; П2 = ££7ру/; П3 = р/,/££; П4 = HIpvZ,; П5 = Etl
Здесь g - проводимость; Е и Н - напряженности электрического и магнитного по-
лей; р и v - плотность и скорость заряженных частиц; L - пространственный раз-
мер; ц и £ - магнитная и электрическая проницаемости вещества.
768
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Из соотношения для П1 следует, что в случае применения одинаково исполнен-
ных (конструктивно и технологически) элементов на модели и космическом аппара-
те (КА) достижение одного и того же значения электрического поля и условий разви-
тия электрических разрядов возможно при выполнении условия pMvM = РкаИса =У, где
j - плотность тока зарядки, индексы «м» и «КА» относятся к модели и КА соответст-
венно. Учитывая данный факт, а также необходимое для сохранения соотношения
первичных и вторичных токов на поверхности элементов условие равенства скоро-
стей (энергий) заряженных частиц в лабораторных и натурных условиях, из выраже-
ний для П2 и П3 получаем, что временные масштабы процессов зарядки модели /м и
аппарата /Ка соотносятся как mt = mi\ где = mL = LM/ Z,Ka- Таким образом,
для моделей, воспроизводящих толщину диэлектрических покрытий КА, время фор-
мирования дифференциальной разности потенциалов, приводящей к развитию элект-
рических разрядов, при сохранении величин плотности тока и энергии заряженных
частиц, характерных для условий в космосе, преобразуется с масштабным коэффици-
ентом mt = 1, а время зарядки модели как целого - mt = mL~x = 7?Ка/^м-
Величина фотоэмиссионного тока с поверхности КА принимает значения отуф = О
До Уф >j в зависимости от ориентации аппарата и его положения на орбите, поэтому в
лабораторных условиях целесообразно моделировать весь диапазон отношения вели-
чин фотоэмиссионного и зарядного токов.
Следовательно, лабораторные исследования динамики электризации КА можно
проводить с отдельными источниками заряженных частиц и ультрафиолетового из-
лучения, обеспечивающими параметры первичных и вторичных потоков заряженных
частиц, близкие к натурным. Модели можно выполнять в следующих вариантах:
• геометрически уменьшенная модель с сохранением технологического и конст-
руктивного исполнения поверхностных материалов, позволяющая проследить
динамику формирования потенциалов, условия возникновения разрядов и ха-
рактеристики протекающих токов;
• фрагментарная модель (образец), имеющая характерные для поверхностных
элементов материал, форму и структуру, с помощью которой определяются
электрофизические свойства поверхности, динамика накопления заряда и па-
раметры потоков заряженных частиц, вызывающих развитие электрических
разрядов.
2.9.1. Экспериментальное и диагностическое оборудование
Моделирование процессов электризации КА проводилось на многофункциональ-
ном экспериментальном комплексе СТЕНД КИ-1 ИЛФ СО РАН [1,2]. Общий вид
высоковакуумной камеры длиной 5 м, диаметром 1,2 м и оборудования стенда пред-
ставлен на рис. 2.9.1. Камера изготовлена из немагнитной нержавеющей стали и
снабжена патрубками диметром до 1200 мм для ввода диагностической аппаратуры,
датчиков, изучаемых объектов и макетов. Разрежение в камере создавалось с помощью
трехступенчатой системы вакуумной откачки: первая ступень - механические насосы
с азотной ловушкой - обеспечивала разрежение до 3-10-4 торр, вторая ступень - маг-
ниторазрядные насосы типа НОРД и турбомолекулярный насос ТМН-500 - до
1-ИГ6торр, третья ступень - 3 криогенных гетерных насоса с распылением титана
ГЛАВА 2.9
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
769
Рис. 2.9.1. Общий вид основной камеры экспериментального комплекса СТЕНД
КИ-1 ИЛФ СО РАН: 1 - криогенный насос; 2 - смотровое окно; 3 - блок ЭОСС;
4 - вакуумная камера; 5 - приемник СВЧ-излучения; 6 - регистрирующая
аппаратура; 7 - держатель; 8 - узел управления зондами; 9 - ввод УФ-излучения
производительностью 4000 л-с"1 по азоту - обеспечивала разрежение до 1-10~7торр
без применения прогрева вакуумной камеры, изучаемых объектов и образцов. В экс-
периментах по моделированию влияния собственной внешней атмосферы на процесс
электризации давление в камере регулировалось с помощью игольчатого натекателя,
поддерживая определенный состав нейтральных частиц и давление в камере. Давле-
ние контролировалось с помощью ионизационных вакуумметров типа ВИМ-2А и
ВИ-14, состав газа измерялся анализатором парциальных давлений АПДМ-1.
2.9.2. Схемы опытов с макетами КА
Исследование эффектов электризации проводилось на макетах КА, его отдельных
элементах и внешних покрытиях. Макеты представляли собой геометрически умень-
шенный объект с сохранением структуры и устройства внешних покрытий, их мате-
риалов. Применение таких макетов позволило учесть конструктивную сложность
аппаратов для процессов электризации и сохранить условия развития электрических
разрядов на поверхности элементов и узлов. В качестве отдельных элементов ис-
пользовались экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ), фотоэлектрические преоб-
разователи солнечных батарей (ФЭП СБ), сетчатые держатели, зеркальные отражате-
ли, клеи, различные эмали и полимерные пленки.
Модели КА и ФЭП СБ размещались в центре высоковакуумной камеры на капро-
новых нитях или крепились на трубчатой штанге из керамики или кварцевого стекла.
Данный узел крепления позволял изменять ориентацию моделей относительно ис-
точников электронов и взаимное положение корпуса и ФЭП СБ. Общий вид одной
из четырех моделей размером 0,5 м представлен на рис. 2.9.2: 1 - ФЭП; 2 - рамка; 3 -
770
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.9.2. Общий вид модели КА
отражатели; 4 - штанга; 5 - ЭВТИ; 6 - проводящая
ткань; 7 - макет ПДУ; 8 - макет ГДУ; 9 - зонд.
Общая блок-схема проведения опытов с моделя-
ми КА представлена на рис. 2.9.3. На торцевых флан-
цах вакуумной камеры 3 крепились электронные пуш-
ки 5 на базе электронно-оптической системы ЭОСС-2.
Электронный пучок, моделирующий поток электро-
нов магнитосферной плазмы, с энергией частиц
1-25 кэВ и плотностью тока 10~10-10~6 А-см"2 на-
правлялся на модель 1. Размер пучка и его положе-
ние регулировались магнитным полем двух взаимно
перпендикулярных токовых катушек. Такая система
позволяла полностью заполнять сечение камеры
электронным пучком или фокусировать его на по-
верхность любого элемента модели с размером пятна
~3 см2. Подача ускоряющего напряжения на катод
электронной пушки осуществлялась механическим
или тиратронным коммутаторами, обеспечивая прямоугольные импульсы напряже-
ния с длительностью от 10"6 с до нескольких часов или суток.
Источником вакуумного УФ-излучения (12) служила газоразрядная лампа типа
ЛД (Д). Излучение через газовый поглотитель и защитное окно из фтористого лития
направлялось на объект и создавало фотоэмиссионный ток величиной у'ф ~ 1 нА-см"2
с металлических элементов модели.
Распределение плотности тока в пучке jb и интенсивности фотоэмиссии определя-
лось с помощью многоколлекторного зонда 13, расположенного между источником
электронов и моделью. Зонд выполнен по схеме с подавлением вторичных электро-
нов. Он позволял измерять одновременно потоки электронов от пушки и эмитиро-
ванные с модели по всему сечению камеры, также можно было использовать его в
качестве энергоанализатора с задерживающим потенциалом [1, 3].
Рис. 2.9.3. Общая схема эксперимента по исследованию процессов
электризации моделей КА на универсальном стенде КИ-1 для
моделирования нестационарных процессов в космической плазме
ГЛАВА 2.9
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
771
Внутри поддерживающей штанги располагались измерительные линии 9. С их
помощью регистрировались следующие параметры: срК1 - потенциал корпуса модели;
фш и фп2 - потенциалы токовых шин ФЭП СБ; срэ - потенциал верхнего алюминизи-
рованного слоя лавсановой пленки ЭВТИ; /св - ток в ФЭП СБ, возбуждаемый све-
том, а также дифференциальная разность потенциалов между любыми указанными
элементами. Регистрация динамики изменения потенциалов элементов проводилась
комбинированными резистивно-емкостными делителями напряжения с малыми то-
ками утечки и временным разрешением от 10~8 до 103 с, а также статическими кило-
вольтметрами. Потенциал поверхности диэлектрика определялся по энергетическому
спектру вторичных электронов.
На модели М2 (рис. 2.9.2) были установлены макеты электрореактивной двига-
тельной установки (ЭРДУ) и газовой двигательной установки (ГДУ). Поток газа из
макета ГДУ формировался при подаче порции газа с регулируемым числом частиц от
импульсного клапана, соединенного с ГДУ трубкой, размещенной в изоляционной
штанге.
Плазменная струя, моделирующая истечение рабочего тела из ЭРДУ, создавалась
воздействием импульсного излучения 7 лазера на СО2 длительностью 10-7 с и энер-
гией до 2 Дж на металлической поверхности макета ЭРДУ. Основные параметры ла-
зерной плазмы: распределение плотности тока ионов у+, скорость расширения плаз-
моида v+, концентрация п, электронная температура Те - были измерены с помощью
несимметричного плавающего зонда Ленгмюра 8 со сферическими электродами и
высоковольтной трансформаторной развязкой [1, 3]. Пространственный потенциал
плазменного облака измерялся зондом в виде шара диаметром 2 см. Потенциальный
зонд был установлен на расстоянии 3 см от поверхности ФЭП СБ, облучаемой пуч-
ком электронов и плазменным потоком. Воздействие холодной плазмы моделирова-
лось с помощью источника 6.
Для моделей, подвешиваемых на капроновых нитях, регистрация факта возникно-
вения импульсного электрического разряда (ИЭР) и изменения среднего потенциала
осуществлялось измерением потенциала «теневого» зонда 4, расположенного за мо-
делью вниз по потоку электронов пучка, а свечение токового канала - приемником
оптического излучения 11 на базе ФЭУ-84. В одном из патрубков вакуумной камеры
устанавливался приемник СВЧ-излучения 10, позволяющий регистрировать сигналы
от 4 до 80 ГГц. Сигналы всех датчиков по тщательно экранированной системе радио-
частотных линий передавались в металлический бокс, где размещалась регистри-
рующая аппаратура с полосой пропускания 0-50 МГц.
2.9.3. Исследование электризации образцов материалов
Схема проведения экспериментов по определению уровня зарядных потенциалов,
разрядных характеристик и вторично-эмиссионных свойств образцов представлена
на рис. 2.9.4. Измерения проводились в плоской геометрии, начальный угол отклоне-
ния скорости первичных электронов от нормали не превышал 7°. Напротив поверх-
ности образца устанавливался анализатор энергии вторичных электронов, позволя-
ющий измерять плотность тока эмиссии с поверхности и энергию вторичных элект-
ронов с разрешением ДЕ/Е< 0,04. Ось анализатора была ориентирована по нормали
772
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.9.4. Схема определения
эмиссионных и разрядных
характеристик образцов: 1 - медная
подложка; 2 - пограничный электрод
с переменным диаметром Dm\
3 - плоский образец; 4 - изолятор;
5 - медная заземленная пластина;
6 - коллектор-экран с сеточным
окном DCJ
к поверхности сетки экрана и образца. При из-
мерении токов утечки потенциал поверхности
стабилизировался током пучка и контролировал-
ся по энергии вторичных электронов, разность
потенциалов регулировалась потенциалом под-
ложки [1,5]. При измерении параметров разряд-
ных токов значения сопротивлений Rm « Rs были
равны 1 Ом, а при определении токов утечки -
106 Ом.
В качестве образцов были испытаны семь ти-
пов ЭВТИ с металлизацией и без нее, лавса-
новые, фторопластовые и другие пленки толщи-
ной 5-500 мкм, ФЭП СБ, зеркальные отражатели,
алюминий и нержавеющая сталь. Измерения
коэффициента вторичной эмиссии проводились
в диапазоне энергий первичных электронов
1-15 кэВ. В табл. 2.9.1 для ряда материалов, ис-
пользованных в макетах КА, приведены значе-
ния энергии электронов второго кроссовера £*,
при которой ст = 1. Видно, что равновесная по-
верхностная разность потенциалов может дости-
гать нескольких киловольт уже при равномерном
облучении макетов.
При зарядке электронным пучком ток утечки заряда с облучаемой на теневую
сторону ФЭП СБ составлял /ут = 0,1 А при создании дифференциальной разности по-
тенциалов Дер = 1 кВ, /уТ = 0,357г, при Дер = 10 кВ и достигал значения /ут = 0,7Д при
Дер = 18 кВ, где 1Ь - ток пучка электронов на поверхность образца. Токи утечек по
ЭВТИ в тех же условиях были в несколько раз ниже. Определение пробивной разно-
сти потенциалов между токовой шиной ФЭП СБ и корпусом модели в вакууме пока-
зало наличие в предпробойной стадии термо-автоэмиссионных токов величиной до
Значения энергии электронов Е*
Таблица 2.9.1
Материал £*, кэВ
Алюминий (модель Ml) 2,4 ± 0,2
ПЭТФ (пленка, модели Ml, М2) 1,1 ±0,2
Стеклоткань ТСОН-СОТ (модель Ml) 2,0 ± 0,2
Стеклоткань ТСОН-СОТМ (модель М2) 2,7 ± 0,2
ФЭП СБ (отдельный образец, освещаемая сторона) 3,2 ± 0,3
ФЭП СБ (отдельный образец, теневая сторона) 1,5 ±0,2
Эмаль белая 3,3 ± 0,6
Стекло зеркальных отражателей 1,8 ±0,2
ГЛАВА 2.9
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
773
5-10"5 А в точках локального усиления элек-
трического поля с коэффициентом усиления
Ро« 40-200 на металлических или диэлект-
рических остриях или пленках. Таким обра-
зом, типичные покрытия и элементы обла-
дают высокими изоляционными свойства-
ми, а накапливаемый заряд и формируемая
разность потенциалов определяются вто-
рично-эмиссионными свойствами поверх-
ности.
Экспериментально зарегистрированная
частота возникновения импульсных элект-
рических разрядов на всех макетах КА и
отдельных образцах была прямо пропор-
циональна начальной плотности тока пучка
электронов в диапазоне 0,01-100 нА-см"2, а
среднее время между разрядами обратно
Рис. 2.9.5. Зависимость среднего времени
между импульсными разрядами Tj
для майлара и фторопласта
от начальной плотности тока Jb
пропорционально плотности тока, как это видно из рис. 2.9.5, на котором приведены
результаты измерений для полимерных ди-
электриков при энергии электронов 25 кэВ. В
дальнейшем полученная закономерность ис-
пользовалась в исследовании динамики элек-
тризации при плотностях тока более высоких,
нежели зарегистрированные на геостационар-
ной орбите.
Места локализации импульсных электри-
ческих разрядов сосредотачивались в основ-
ном на стыках металл-диэлектрик и острых
кромках элементов ФЭП СБ, зеркальных от-
ражателей и, наиболее часто, на поверхности
ЭВТИ. Это иллюстрирует рис. 2.9.6, на кото-
ром представлена фотография модели М2, Рис. 2.9.6. Фотография модели М2 при
облучаемой пучком электронов С энергией облучении электронами: 1 - ФЭП СБ;
13 кэВ при плотности тока 10 нА-см"2 и вре- 2 ’ зеркальные °п>ажатели; 3 - ЭВТИ
менем экспозиции 15 мин. Яркие точки показывают места локализации импульсных
разрядов.
2.9.4. Динамика электризации моделей КА и характеристики электрических
разрядов
Ниже представлены экспериментальные результаты по динамике электризации, ее
связи с параметрами внешней среды, характеристиками импульсных электрических
разрядов, а также данные о воздействии электризации на работоспособность ФЭП.
Эксперименты проводились с моделями при снятии с них остаточного заряда с по-
мощью УФ-излучения.
774
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Типичные осциллограммы изменения зарядных потенциалов представлены на
рис. 2.9.7 и рис. 2.9.8. Момент времени 1 = 0 соответствует включению электронного
пучка, t\ и t2 - включению и выключению источника УФ-излучения, - выключению
пучка. По мере роста потенциалов скорость их изменения замедляется и они дости-
гают значения, близкого к равновесному. Дальнейшее облучение моделей приводило
к появлению режима с неустойчивым значением зарядного потенциала, который пре-
кращался при развитии импульсных электрических разрядов или отключении источ-
ника электронов (на рис. 2.9.7 и 2.9.8 отмечены: А - изменение потенциала корпуса
при развитии импульсного разряда, В - отклик в изменении потенциала токовой ши-
ны ФЭП СБ, С - область инерционной эмиссии электронов при выключении пучка).
Включение УФ-излучения первоначально вызывало уменьшение зарядных потен-
циалов пропорционально фотоэмиссионному току, ускоряло появление флуктуи-
рующей стадии и повышало частоту следования ИЭР.
Фактически в процессе электризации моделей КА можно выделить следующие
фазы:
• равновесная стадия, определяемая вторично-эмиссионными процессами на по-
верхности тел, приводящая к созданию локальной дифференциальной разности
потенциалов;
• флуктуирующая стадия, характеризуемая как предпробойная и вызванная ин-
тенсивной локальной эмиссией электронов из области стыков разнородных ма-
териалов;
• стадия ИЭР, характеризуется интенсивными токами, протекающими на по-
верхности элементов или между ними.
ФЭУ, отн. ед.
Рис. 2.9.7. Типичные осциллограммы потенциала токовой шины
ФЭП фпь потенциала корпуса срк и свечения модели М3,
заряжаемой электронным пучком Eb = 5 vs&Jb = Ю нА-см-2:
1 - равновесная стадия; 2 - флуктуирующая стадия
ГЛАВА 2.9
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
775
Фк, кВ
Рис. 2.9.8. Осциллограммы потенциала корпуса фк, токовой шины
ФЭП фт модели М2. £/,= 11 кэВ,д = 40 нА-см-2,уФ = 0,2 нАсм-2
Равновесная стадия
С учетом слабой межэлементной проводимости полный ток зарядки можно запи-
сать в виде /зар «Л)(1 - еср/Еь) [1 - <з(Еь- вф)], где /0 - начальный ток зарядки, ф -
потенциал модели. Скорость накопления заряда на элементах модели по мере роста
потенциала снижается из-за рассеивания и отражения первичных электронов, а также
вследствие увеличения коэффициента вторичной эмиссии из-за уменьшения энергии
электронов. Окончательная величина зарядного потенциала стремится к равновесной,
определяемой из условия с(£*) = 1.
Флуктуирующая стадия
В ней необходимо выделить два характерных момента: общее снижение величи-
ны зарядного потенциала с типичной флуктуацией 200-500 В и спорадическую ин-
жекцию электронных пучков с различных точек поверхности. Время появления
флуктуирующей стадии тн, отсчитываемое от начала инжекции пучка, было обратно
пропорционально начальной плотности тока для заданной энергии пучка [2-3] и
существенно превосходило время формирования равновесного потенциала. Процесс
электризации во флуктуирующей фазе сопровождался точечными световыми пятна-
ми на поверхности моделей и образцов, возникающими синхронно с частотой флук-
туации потенциалов. Места свечения хаотически перемещались по кромкам элемен-
тов, преобладающее число световых пятен находилось на ЭВТИ. Величина тока
сброса заряда /ФЛ = 10“7-10“5 А, и он сохраняется при отключении источника элек-
тронов и УФ-излучения до тех пор, пока потенциал элемента не уменьшится на вели-
чину, характерную для флуктуаций (рис. 2.9.7). В совокупности это указывает на на-
личие локальной разности потенциалов, достаточной для формирования и инжекции
электронных токов.
Схема на рис. 2.9.9 поясняет формирование дифференциальной разности потен-
циалов и предпробойных токов, переходящих в ИЭР на ЭВТИ и ФЭП. Динамику
формирования локальной напряженности электрического поля Ео на кромках метал-
ла, например для ЭВТИ, можно записать в следующем виде:
776
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.9.9. Структура поверхности ЭВТИ (а), ФЭП СБ (б) и упрощенная
эквивалентная схема зарядки поверхностного диэлектрика (в): 1 - стеклоткань;
2 - лавсан (ПЭТФ); 3 - алюминий; 4 - стекло; 5 - каучук; 6 - полупроводниковый
преобразователь; 7 - токовая шина. Cd и Ск - емкости поверхности диэлектрика и
проводника относительно вакуумной камеры (плазмы), Со - емкость
поверхностного диэлектрика относительно корпуса модели
Е1ок = J (X(lD - у J + (1 -^(oD - aK )1 dt,
e0 о l Еь J
(2.9.1)
где Ро - геометрический коэффициент усиления поля; П = 5к/5м - отношение пло-
щади открытых проводников к площади всей модели; X- отношение тока ионов газа,
собираемого отрицательным потенциалом модели, к начальному току зарядки элек-
тронами; у и ст - коэффициенты ионно-электронной и электрон-электронной эмиссии,
индексыDhK относятся диэлектрику и корпусу.
В равновесной стадии в высоком вакууме Х< 10"3, среднее значение
(а£)-Пк)«0,1, (1 - есрм/£/,)» 0,2, р0« 40-200, П = 0,1-0,9, и при jb = 40 нА-см"2
Частота разрядов, имп-с
10*’ -
М3
Рис. 2.9.10. Зависимость частоты следования
электрических разрядов от параметра П для
четырех моделей и отдельных образцов при
одинаковой плотности электронного тока.
Энергия электронов 11 кэВ, Х< 10-2
среднее время между разрядами составля-
ло т « 200 с. В данных условиях экспери-
мента из (2.9.1) следует, что величина
Е1ок «(0,8-4)-107 В-см-1 достаточна для
создания автоэмиссионных токов с кромок
элементов, которые, как показано в [1,4],
могут вызывать взрывную эмиссию ди-
электрического включения, приводящих к
выбросу плазменного факела. Справедли-
вость соотношения (2.9.1) подтверждается
прямолинейной зависимостью частоты
следования разрядных импульсов от плот-
ности тока пучка и конструкционного па-
раметра П (рис. 2.9.10), постоянством час-
тоты следования пробоев при £),>£*, а
также наличием линейного участка роста
частоты следования при повышении дав-
ления [3].
ГЛАВА 2.9 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
777
Стадия импульсных электрических разрядов
Эта стадия первоначально исследовалась на моделях, подвешенных на капроно-
вых нитях. Наличие разрядов, зарегистрированных по свечению и изменению потен-
циала «теневого» зонда, представлено на рис. 2.9.11. Длительность импульсных раз-
рядов составляла 10“8-10“5с, зафиксированная в опытах величина сбрасываемого
заряда составляла Q = 2-10"9-5-10“7 Кл за импульс.
Более детальная картина, иллюстрируемая рис. 2.9.12, была получена путем непо-
средственной регистрации потенциалов корпуса и токовой шины ФЭП СБ. Первич-
ный пробой с выбросом электронного заря-
да произошел на ЭВТИ и вызвал снижение
потенциала корпуса. За счет емкостной свя-
зи потенциал токовой шины слегка умень-
шился, а к моменту t = 6,5 мкс переполю-
совка дифференциальной разности потен-
циалов достигла значения, достаточного
для развития между ними самостоятельного
разряда, который уравнял разность потен-
циалов. Измеренные амплитуды взаимных
токов разряда находились в диапазоне от
0,2 до 50 А.
Проведенные эксперименты по дина-
мике электризации макетов при зарядке
электронным пучком позволяют переносить
полученные модельные представления на
зарядку КА в магнитосферной плазме. По-
лучен широкий набор экспериментальных
данных и практических соотношений, свя-
зывающих вероятность возникновения ИЭР
и их характеристик с потоками электронов
и ионов из высокотемпературной плазмы,
параметрами собственной внешней атмо-
сферы и УФ-излучения, параметрами ма-
териалов и структурными особенностями
поверхностных элементов КА.
Формирование электромагнитных им-
пульсов в цепях ФЭП СБ происходит вслед-
ствие непосредственной инжекции заряда в
токовые шины, так и за счет емкостных
токов при изменении потенциала одного из
элементов КА (в основном ЭВТИ). Другой
тип воздействия ИЭР проявляется как ос-
лабление эффективности ФЭП СБ из-за
осаждения на прозрачных поверхностях
продуктов, испаренных в токовых кана-
лах [1].
/фэу, мА
Рис. 2.9.11. Осциллограммы сигнала ФЭУ
и сигнала теневого зонда cpT3 при
возникновении разрядов на ЭВТИ
модели М3. Еь = 10 кэВ
Рис. 2.9.12. Динамика изменения
потенциалов корпуса фк (1) и токовой
шины cpni (2) с последующим развитием
взаимного разряда (сплошные линии)
и без возникновения разряда (штриховые
линии) при Еь = 13 кэВ
778
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
2.9.5. Моделирование воздействия струй электрореактивных и газовых
двигательных установок
Характерная динамика процессов, возникающих при истечении плазменной струи
из макета ЭРДУ заряженной модели, представлена на рис. 2.9.13: срк - потенциал
корпуса модели, РПр “ излучение в СВЧ-диапазоне, српл - потенциал плазмы, Дер -
разность потенциалов между корпусом модели и токовой шиной ФЭП СБ, пе - кон-
центрация плазмы, уз - плотность тока на зонд при моделировании функциониро-
вания ЭРДУ. Поскольку плазмоид формировался непосредственно на проводящей
поверхности, связанной с корпусом модели, прак-
тически с самого начала воздействия излучения
лазера происходила интенсивная эмиссия плазмы и
электронов в окружающее пространство. Это вы-
зывало сброс отрицательного заряда с корпуса мо-
дели, формирование емкостного тока между токо-
вой шиной ФЭП СБ и корпусом, изменение знака
разности потенциалов.
По мере расширения боковая часть потока плаз-
мы достигала заряженной поверхности ФЭП СБ,
создавая цепь тока между ФЭП и корпусом модели,
и к моменту t« 2 мкс обеспечивались условия ней-
трализации разности потенциалов между ними. В
данных опытах были обнаружены почти те же про-
цессы, что и в опытах по нейтрализации КА [2, 4]:
• наличие ламинарной стадии, в которой плот-
ность тока нейтрализации определяется по-
Фк, кВ
-12 —I-----1-----1----1-----L
Фпл, кВ
током ионов на катод;
• переход ламинарной стадии в сильноточную
при достижении на поверхности катода
удельного заряда ионов q+ » (1-5)-10-6 Кл-см"2;
• формирование интенсивных электронных
пучков из прикатодной области и излучение
электромагнитных колебаний в области элек-
тронных плазменных частот (в данном случае
в СВЧ-диапазоне).
Воздействие газовой струи на процессы элек-
тризации проявилось двояким образом. Во-первых,
ионизуясь под действием УФ-излучения Солнца и
электронов высокотемпературной плазмы, инжек-
тированный газ становится эффективным источни-
ком потоков ионов, притягиваемых отрицательным
потенциалом КА. Модифицированный к распреде-
лению газа параметр X приблизительно равен от-
ношению Т?дЕ 2и и*/ М ул7?2кд = 0,2-0,5 при расходе
газа тп = 0,2 г-с-1 и сечении фотоионизации
2и= Ю’17см’2. По результатам лабораторных из-
Дф, кВ
_3 ---1----1-----1----1-----L
Рис. 2.9.13. Динамика изменения
параметров при моделировании
функционирования ЭРДУ
ГЛАВА 2.9
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
779
мерений можно спрогнозировать снижение зарядных потенциалов и увеличение час-
тоты возникновения ИЭР более чем в два раза. Во-вторых, вблизи кромки сопла кон-
центрация газа достаточна для развития лавинного размножения электронов и зажи-
гания самостоятельного разряда.
В экспериментах с инжекцией азота из ГДУ модели М2 получено зажигание са-
мостоятельного разряда при потенциалах корпуса модели -7 кВ и более. Ток разряда
составлял 0,01-0,1 А, область интенсивной ионизации находилась на кромке сопла
(см. рис. 2.9.2, нижняя стрелка). Поскольку ток разряда существенно превышал за-
рядный, происходило увеличение дифференциальной разности потенциалов и воз-
никновение ИЭР между элементами модели (рис. 2.9.2, верхние стрелки).
2.9.6. Калибровка аппаратуры для измерения параметров электризации КА
В состав экспериментального комплекса СТЕНД КИ-1 входит установка КИ-5,
оборудованная источниками электронов и ионов, плазмы и газа, диагностической
аппаратурой для тестирования и калибровки бортовых датчиков [5, 6]. Общий вид
установки изображен на рис. 2.9.14, а ее принципиальная схема - на рис. 2.9.15.
Оборудованная изолированным холдером, она позволяет испытывать и калибро-
вать под плавающим потенциалом в вакууме до 3-10“7 торр такие виды аппаратуры и
приборов, как датчики тока и энергоанализаторы заряженных частиц в диапазоне
плотностей тока 1 пА - 100 нА при энергии частиц 0,1-30 кэВ, датчики потока рабо-
чего тела (плазмы и газа), датчики электрических полей в диапазоне до 106В-м-1,
бортовые вакуумметры и др. Разработанные схемы моделирования взаимодействия
КА с окружающей средой позволяют надежно имитировать условия и конструктив-
ные особенности расположения бортовой аппаратуры и исследовать устойчивость ее
функционирования.
Например, на рис. 2.9.16 показан разработанный в НТЦ «ЭКСАС» комплект ап-
паратуры для измерения параметров плазмы в области геостационарной орбиты, дав-
Рис. 2.9.14. Общий вид установки КИ-5 экспериментального комплекса СТЕНД КИ-1
780
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Блок питания
Блок дуги
Блок накала
Блок клапана
Блок управления
Блок
фокусировки
Блок модуляции
Рис. 2.9.15. Принципиальная схема установки КИ-5: 1 - электронные пушки или
плазменный инжектор; 2 - окно для наблюдения образцов; 3 - дрейфовая камера;
4 - натекатель газа; 5 - цилиндрическая вакуумная камера диаметром 1 м;
6 - цилиндрический энергоанализатор; 7 - сеточный зонд и счетчик частиц;
8 - испытываемая аппаратура; 9 - изолированный вывод сигналов; 10 - плоский
сеточный электрод; 11 - насос НМД-0 4; 12-15 - стойка управления
15
14
13
ления собственной внешней атмосферы КА и
плазмы двигательной установки. На переднем
плане расположена негерметичная электронная
аппаратура электропитания, сбора информации
и датчики давления для КА «Экспресс-А».
Сзади виден холдер с датчиками тока и энер-
гоанализаторами. Проведенные на установке
испытания и калибровки позволили модер-
низировать аппаратуру и улучшить ее теп-
ловые режимы. На установке проводились
также эксперименты по прогнозированию
электроразрядной активности диэлектриков по
контракту с ESA [5].
Рис. 2.9.16. Комплект бортовой
аппаратуры для измерения параметров
окружающей среды
ЛИТЕРАТУРА
1. Антонов В.М., Пономаренко А.Г. Лабораторные исследования эффектов электризации космических
аппаратов. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1992, 114 с.
2. Антонов В.М., Геворкян Л.Б., Пономаренко А.Г., Захаров Ю.П. Экспериментальное исследование взаи-
модействия потока лазерной плазмы с заряженными телами в вакууме. Взаимодействие лазерного из-
лучения с веществом: Сб. науч. тр. ИТПМ СО АН СССР, Новосибирск , 1980, с. 178-193.
3. Антонов В.М., Пономаренко А.Г., Исляев Ш.Н., Графодатский О.С. Исследование электризации моде-
лей космических аппаратов в лабораторных условиях. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и
физике Солнца. М.: Наука, 1989, вып. 86, с. 45-63.
4. Антонов В.М., Геворкян Л.Б., Пономаренко А.Г. О нестационарных процессах в плазменном диоде.
Письма в ЖТФ, 1978, т. 4, вып. 16, с. 995-998.
5. Antonov V.M., Ponomarenko A.G., Ciccolella A. et al. Investigation of dielectric conductivities and break-
down caused penetrating electrons. Proc, of 5th Conference on Modification of Materials with Particle Beams
and Plasma Flows, 24-29 September 2000, Tomsk, pp. 258-261.
6. Antonov V.M., Ponomarenko A.G. et al. Laboratory testing of facilities for the surrounding medium and
spacecraft charging. Proc. Int. Conf. «Problems of Spacecraft/Environment Interactions», June 15-19, 1992,
Novosibirsk, pp. 110-116.
ГЛАВА 2.10
ПОВЫШЕНИЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ
СТЕКЛЯННЫХ ПОКРЫТИЙ ЗА СЧЕТ ВНЕДРЕННОГО
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА
Цетлин В.В.1; Павлушкина Т.К.2; Махотин Д.Ю.1
1ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН
2 ОАО Институт стекла
Список сокращений
КА космический аппарат
СБ солнечная батарея
ЭПР электронный парамагнитный резонанс
ВВЕДЕНИЕ
Защитные стеклянные покрытия, поглощающие значительную часть космическо-
го ионизирующего излучения, широко используются для обеспечения необходимой
радиационной стойкости полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей
солнечных батарей (СБ) и других элементов оборудования космических аппаратов
(КА). Высокие требования к оптической прозрачности таких защитных покрытий и
жесткие ограничения, накладываемые на весовые характеристики, определяют необ-
ходимость поиска путей повышения радиационно-защитных параметров покрытий
при сохранении или, по возможности, уменьшении их толщины [1,2].
Для повышения эффективности радиационной защиты элементов КА обсуждают-
ся методы, основанные на использовании для торможения и отклонения электро-
нов [3-5] слоев диэлектрических материалов, обладающих свойством образовывать
при облучении ионизирующим излучением сильные внутренние электрические поля
782
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
объемного заряда. Торможение электронов электрическим полем будет дополни-
тельно снижать мощность и полную величину поглощенной дозы за таким диэлек-
трическим слоем по сравнению с незаряженным диэлектриком. Объемный заряд в
диэлектрическом покрытии может создаваться путем предварительного облучения
электронами на ускорителе или накапливаться во время полета в радиационных поя-
сах Земли.
Очевидно, что для реализации указанного принципа радиационной защиты необ-
ходимы диэлектрические материалы, способные накапливать большой объемный
заряд и сохранять его в течение длительного времени. Полимерные и неорганические
стеклообразные диэлектрики, используемые в космической технике, оказались мало-
пригодными для создания такой защиты. Экспериментально было установлено, что
времена существования сильных электрических полей в органических полимерах,
например, полиметилметакрилате и полистироле, не превышали нескольких секунд
после прекращения облучения. Исследования эффектов образования объемного заря-
да в неорганических стеклах при электронном облучении показали, что в промыш-
ленных силикатных стеклах напряженность электрического поля недостаточно вели-
ка для того, чтобы вызывать дополнительное торможение частиц. Поскольку темпе-
ратура защитных диэлектрических покрытий в условиях космоса может достигать
100-150°С, возникают дополнительные требования к способности покрытий накап-
ливать и сохранять электрический заряд при таких температурах.
Для реализации идеи повышения эффективности диэлектрической радиационной
защиты путем создания объемного заряда в используемых покрытиях были проведе-
ны следующие работы:
• разработка методов расчета прохождения электронного излучения через ди-
электрические слои, содержащие области с избыточным объемным электриче-
ским зарядом;
• разработка материалов, обладающих свойством образовывать при облучении
электронами и затем сохранять сильные внутренние электрические поля в те-
чение длительного времени в условиях космического полета;
• лабораторные исследования радиационно-защитных свойств диэлектрических
слоев при облучении электронами в энергетическом диапазоне 0-3 МэВ;
• испытания радиационно-защитных свойств заряженных диэлектрических слоев
в условиях экспонирования на низкоорбитальных КА.
В настоящей главе приведены основные результаты этих работ.
2.10.1. Расчет параметров прохождения электронного излучения
через заряженные диэлектрические слои
2.10.1.1. Методика расчета
Задачей математического моделирования является изучение влияния внутреннего
электрического поля на характеристики процессов прохождения электронов через
заряженные диэлектрические слои: распределение поглощенной энергии по глубине,
пробег первичных частиц в материале и глубину проникновения их в образец, коэф-
фициенты прохождения и обратного рассеяния и т. д.
ГЛАВА 2.10
ПОВЫШЕНИЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕКЛЯННЫХ...
783
Первичный пучок электронов может иметь различные энергетические и угловые
характеристики - быть моноэнергетическим и однонаправленным при проведении
экспериментов на ускорителях или описывать спектр частиц космической радиации,
изотропно падающих на поверхность КА в натурных условиях.
При проведении расчетов был использован метод Монте-Карло, позволяющий
решать задачи прохождения излучения через слои с заданной геометрией с учетом
элементарных актов взаимодействия частиц с атомами вещества мишени.
Задача расчета прохождения электронного пучка через слои вещества как в отсут-
ствие, так и при наличии объемного электрического заряда может быть сведена к
расчету энергетического спектра и величины потока электронов пучка на заданной
глубине слоя. Вклад в формирование спектра вносят как первичные электроны пучка,
так и вторичные электроны. На основании рассчитанных энергетических спектров
могут быть получены указанные выше характеристики прохождения потока электро-
нов через облучаемую мишень.
На рис. 2.10.1 показана базовая геометрия задачи. Электроны испускаются тонким
источником, находящимся непосредственно на поверхности образца (считается, что
активный состав напылен на образец). За образцом расположен детектор излучения.
Радиусы источника, образца и детектора
могут задаваться произвольно. Такая гео-
метрия позволяет выделять электроны,
прошедшие за образец и попавшие в де-
тектор, не попавшие в детектор, вышед-
шие через боковые грани образца или об-
ратно отраженные.
Особую задачу представляет анализ
взаимодействия быстрых, в общем случае
релятивистских, электронов с внутренним
электрическим полем объемного заряда в
диэлектрике. Учитывая малость измене-
ния энергии на длине свободного пробега,
взаимодействие электрона с электрическим
полем и ионизационные потери рассмат-
риваются независимо, при этом напряженность электрического поля на длине сво-
бодного пробега считается постоянной, а время, за которое электрон проходит длину
свободного пробега, не зависит от напряженности поля.
Используя эти приближения, можно получить достаточно простые аналитические
выражения, описывающие изменение состояния электрона за время t в электриче-
ском поле Е, которое характеризуется составляющими импульса {px,py,pz} и энерги-
ей Т. Если поле направлено по оси Z, имеем:
РХ = Ро„ Ру = Роу, Pz = Рог + ЯЕ>,
Т = Су]т2с2 + p2ixy + (рОг + qEf)2,
/7 7Г77 77 1 Гi ~, ЯЕ{ + Poz+TIс
V(x - Хо) + (J’ - Уо) = — <^Ро, + Роу In --,
ЯЕ v Poz+Tolc
784
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Z-Z. = 2_(Т-Т0),
qE
где с - скорость света; q - заряд электрона;
переменные с индексом «О» относятся к на-
чальному моменту времени.
Экспериментально установлено, что объ-
емный заряд в облучаемом стекле располагает-
ся в ограниченном слое, что позволяет в пер-
вом приближении использовать модель рас-
пределения заряда и напряженности поля,
представленную на рис. 2.10.2, где d\,d2- гра-
ницы области залегания объемного заряда; d -
толщина образца; Fe - падающий поток элек-
тронов; закрашенная область - слой объемного
заряда. Более точные распределения можно
получить, решая самосогласованную задачу
накопления объемного заряда.
Решая уравнение Пуассона для распреде-
ления заряда, показанного на рис. 2.10.2, при
условии равенства нулю потенциала между пе-
редней и задней поверхностями образца, мож-
но получить функцию распределения электри-
ческого поля:
Рис. 2.10.2. Модельное распределение
объемного заряда и напряженности
электрического поля по глубине
-Ео, 0<x<di;
Е(х) = 1
E^x-d^d.-d^l-^-
V \ 2d
E0(dt +rf2)Mi-^^Y|
I k 2d J
Из этих выражений следует, что распределение напряженности поля зависит от
толщины слоя объемного заряда и глубины его залегания. Характер этой зависимо-
сти иллюстрируется рис. 2.10.3. На рис. 2.10.3а показано распределение напряженно-
сти поля для случая, когда середина слоя объемного заряда толщиной 0,01 см распо-
ложена на 1/4 глубины образца. При таком расположении слоя объемного заряда со
стороны плоскости падения электронов образуется достаточно сильное замедляющее
поле, а с тыльной стороны - ускоряющее. На рис. 2.10.36 показан случай, когда слой
заряда расположен в середине образца, в результате чего замедляющее и ускоряющее
поля одинаковы по абсолютной величине. В случае залегания слоя заряда на 3/4 тол-
щины образца (рис. 2.10.3в) создается слабое замедляющее и более сильное уско-
ряющее поле.
ГЛАВА 2.10
ПОВЫШЕНИЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕКЛЯННЫХ...
785
Рис. 2.10.3. Зависимость распределения напряженности поля объемного заряда от глубины его залегания
2.10.1.2. Результаты расчетов и обсуждение
Как видно из рис. 2.10.3, при постоянной по объему плотности заряда внутри слоя
на глубине, равной половине толщины слоя, возникает плоскость нулевого поля, по
обе стороны от которой сила воздействия электрического поля имеет противополож-
ные знаки и возрастает по абсолютной величине по мере приближения к поверхности
слоя. На основании такого представления о распределении электрического поля в
защитном слое диэлектрика методом Монте-Карло были проведены расчеты прохож-
дения электронных пучков через плоские заряженные слои и выполнены оценки
снижения относительной мощности дозы за слоями различной толщины [8]. Для про-
стоты расчетов было принято, что плоскость нулевого поля расположена в середине
слоя.
Защитный эффект электрического поля объемного заряда проявляется в том, что
поле усиливает снижение энергии электронов перед плоскостью нулевого поля, при-
чем совокупный эффект торможения электронов в этой области приводит к тому, что
влияние компенсации ионизационных потерь ускоряющим полем за плоскостью ну-
левого поля не приводит к снижению защит-
ных свойств заряженного слоя. Последнее
можно объяснить нелинейным ростом иони-
зационных потерь с уменьшением энергии
электронов.
На рис. 2.10.4 представлены зависимости
относительного изменения мощности погло-
щенной дозы P/Pq, создаваемой моноэнер-
гетическим пучком электронов за слоем
диэлектрика, от отношения d/R при двух зна-
чениях напряженности электрического поля
Ео. Здесь Р и Ро - мощности поглощенной
дозы при наличии и отсутствии электриче-
ского поля соответственно, d/R - отношение
толщины диэлектрика к пробегу электронов.
Видно, что для слоев диэлектриков, толщина
Рис. 2.10.4. Зависимость относительной
мощности поглощенной дозы Р/Ро
от d/R и напряженности поля Ео:
l-l^-^MB-r’cM2
786
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Таблица 2.10.1
Характеристики прохождения и рассеяния электронов различных энергий
для стеклянной мишени с объемным зарядом
Ео, МВсм’1 ср, МВ R, см R/Ro Zmax, CM Zmax / Zmax0 Kbs Kbsl^bsQ D, МэВ/эл D/Do
<7=0,05 см, Го = 0,25 МэВ
0 0,000 3.214E-02 1,000 2,984E-02 1,000 8.154E-02 1,000 2.304E-01 1,000
1 0,025 3.165E-02 0,985 2.630E-02 0,881 8.947E-02 1,097 2.167E-01 0,940
2 0,050 3.149E-02 0,980 2.364E-02 0,792 9.968E-02 1,222 2,047E-01 0,888
4 0,100 3.096E-02 0,963 1.952E-02 0,654 1.173E-O1 1,439 1.857E-01 0,806
6 0,150 3,075E-02 0,957 1.660E-02 0,556 1.374E-O1 1,685 1.709E-01 0,742
12 0,300 2.935E-02 0,913 1.161E-02 0,389 2.093E-01 2,566 l,401E-01 0,608
<7 = 0,10 cm, To = 0,50 МэВ
0 0,000 8.789E-02 1,000 8,114E—02 1,000 7,739E-02 1,000 4,706E-01 1,000
0,5 0,025 8.731E-02 0,993 7.781E-02 0,959 8.436E-02 1,090 4.534E-01 0,963
1 0,050 8,716E-02 0,992 7.427E-02 0,915 9,129E-02 1,180 4,366E-01 0,928
2 0,100 8,638E-02 0,983 6.529E-02 0,805 1.037E-01 1,340 4.056E-01 0,862
3 0,150 8.598E-02 0,978 5,491E-02 0,677 1J98E-01 1,548 3.794E-01 0,806
6 0,300 8,417E-02 0,958 3.986E-02 0,491 1.748E-01 2,259 3.242E-01 0,689
Таблица 2.10.2
Характеристики прохождения и рассеяния электронов различных энергий
для стеклянной мишени с объемным зарядом и кремниевого детектора
Eo, МВсм-1 R, cm R/Ro K, Kp/Kpo Kbs Kbsl KbsQ D, МэВ/эл D/Da DS1, МэВ/эл Dsi/r>siO
0 8.785E-02 1,000 4.053E-01 d=0,( 1,000 )5 см, Го = 1 7,71 IE-02 3,50 МэВ 1,000 3.915Е-01 1,000 7,774Е-02 1,000
1 8,705E-02 0,991 3.838E-01 0,947 9.092E-02 1,179 3.868Е-01 0,988 7,160Е-02 0,921
2 8.636E-02 0,983 3.558E-01 0,878 1.003E-01 1,300 3.842Е-01 0,981 6.468Е-02 0,832
4 8.538E-02 0,972 2.889E-01 0,713 1.316E-01 1,707 3.749Е-01 0,958 5.024Е-02 0,646
6 8.368E-02 0,953 2,021E-01 0,499 l,713E-01 2,221 3,614Е—01 0,923 3.300Е-02 0,425
12 8.036E-02 0,915 0.000E+00 0,000 3.136E—01 4,066 2.605Е-01 0,667 0.000Е+00 0,000
0 2,146E—01 1,000 9.314E-01 <7=0,C 1,000 )5 см, Го = 4.767E-02 1,00 МэВ 1,000 2.595Е-01 1,000 2.342Е-01 1,000
1 2.131E-01 0,993 9.319E-01 1,001 4,887E-02 1,025 2,584Е-01 0,996 2.357Е-01 1,006
2 2,122E—01 0,989 9.338E-01 1,003 4.786E-02 1,004 2,574Е-01 0,992 2,374Е-01 1,014
4 2,098E-01 0,977 9.336E-01 1,002 5.244E-02 1,100 2.560Е-01 0,987 2.390Е-01 1,021
6 2.070E-01 0,964 9.327E-01 1,001 5.754E-02 1,207 2,532Е—01 0,976 2,391 Е-01 1,021
12 1.968E-01 0,917 9,120E-01 0,979 8.284E-02 1,738 2,547Е-01 0,982 2,380Е—01 1,017
0 1.504E-01 1,000 2.274E-01 <7= 0,1 1,000 0 CM, Го = 1 7,137E-02 3,75 МэВ 1,000 6.651Е-01 1,000 4.57Е-02 1,000
0,5 1.496E-01 0,994 2.097E-01 0,922 7.727E-02 1,083 6,581 Е-01 0,990 4.22Е-02 0,922
1 1.492E-01 0,992 1.947E-01 0,856 8.560E-02 1,199 6.497Е-01 0,977 3,82Е-02 0,835
2 1.483E—01 0,986 1.566E-01 0,689 l,040E-01 1,458 6.316Е-01 0,950 2,99Е-02 0,653
3 1.473E-01 0,979 1.139E-01 0,501 1.256E—01 1,760 6.101Е-01 0,917 2.14Е-02 0,468
6 1.430E-01 0,951 1.086E-02 0,048 2,029E-01 2,843 5,113Е-01 0,769 1,55Е-03 0,034
0 2J47E-01 1,000 6.336E-01 <7=0,1 1,000 10 CM, Го = 6.417E-02 1,00 МэВ 1,000 6,519Е-01 1,000 1,825Е-01 1,000
0,5 2J39E-01 0,996 6.312E-01 0,996 7.042E-02 1,097 6,489Е-01 0,995 1.810Е-Ю1 0,992
1 2Д32Е-01 0,993 6.251E-01 0,987 7.462E-02 1,163 6.475Е-01 0,993 1.796Е-01 0,984
2 2,122E—01 0,988 6.187E-01 0,976 8,887E-02 1,385 6,404Е-01 0,982 1,774Е-01 0,972
3 2,107E—01 0,982 6.056E-01 0,956 1.081E-01 1,684 6,330Е-01 0,971 1.732Е-01 0,949
6 2.070E-01 0,964 5.258E-01 0,830 1,857E—01 2,894 6,190Е—01 0,949 1,521Е-Ю1 0,834
ГЛАВА 2.10
ПОВЫШЕНИЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕКЛЯННЫХ...
787
которых не превышает 0,27?, снижение мощности дозы, обусловленное полем, состав-
ляет не более нескольких процентов. С ростом толщины стекол вплоть до (0,7-0,8)7?
снижение мощности поглощенной дозы достигает 70-80% от первоначального зна-
чения Ро.
С увеличением напряженности Ео защитный эффект заряженного диэлектриче-
ского слоя выражен сильнее, и минимум отношения PIPq более глубок, что связано
как с сокращением длины пробега электронов, так и с их отклонением тормозящим
электрическим полем. При дальнейшем увеличении отношения d/R величина Р/Ро
возрастает, что объясняется ослаблением влияния электрического поля при заданной
толщине слоя на выход тормозного излучения по сравнению с действием поля непо-
средственно на пучок. При переходе к диэлектрикам с большими эффективными
атомными номерами происходит смещение положения минимума кривых в сторону
меньших толщин, а сам минимум становится более широким, что связано с усилени-
ем влияния рассеяния электронов при атомных столкновениях.
В табл. 2.1.1, 2.1.2 приведены результаты расчетов характеристик прохождения
пучка электронов через плоский образец стекла марки Ц-13 с эффективным атомным
номером Zeff= 11,53, эффективным атомным весом Ае^= 23,85, эффективным потен-
циалом ионизации /eff= 123,5 эВ и плотностью р = 2,47 г-см"3. Расчеты выполнены
для случая нормального падения пучка на образец.
Обозначения в таблицах: Eq, ср - напряженность и потенциал поля; То - энергия
падающего пучка; 7? - ионизационный пробег (максимальный путь, пройденный час-
тицей); 7?о - ионизационный пробег в материале без влияния поля; Zmax - максималь-
ная глубина проникновения электронов в образец (для случая полного поглощения
электронов пучка); Кр - коэффициент прохождения частиц; Кь5 - коэффициент об-
ратного отражения частиц; D - поглощенная энергия излучения в образце; Z)Si - по-
глощенная энергия излучения в слое кремния толщиной 0,035 см, расположенного за
стеклом.
2.10.2. Разработка стекол для использования в системе радиационной защиты
2.10.2.1. Требования к стеклам и методика эксперимента
Как уже отмечалось, стекла, предназначенные для использования в системе ра-
диационной защиты КА, должны обладать свойством образовывать при облучении
электронами и затем сохранять сильные внутренние электрические поля в течение
длительного времени.
В условиях открытого космоса тепловой режим настолько жесткий, что при вы-
боре материалов для защитных покрытий предпочтение следует отдавать неорга-
ническим стеклам. Были выбраны неорганические стекла, содержащие в качестве
стеклообразующих оксиды кремния, фосфора и бора. При выборе составов стекол
предполагалось, что центры захвата избыточного объемного заряда, по-видимому,
должны быть обусловлены свойствами поливалентных элементов - фосфором и
бором, а не модификаторами. Последние определяют процессы электропроводно-
сти, поляризации и диффузии.
788
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Экспериментальные исследования на ускорителях и в натурных условиях на бор-
ту КА проводились с образцами бесщелочных алюмофосфатных стекол с высоким
содержанием Р2О5 (51-70 мол.%) при концентрации В2О3 от 9 до 13 мол.% и AI2O3 -
от 6 до 10 мол.%. Кроме того, в широких пределах варьировалось содержание ЬагОз
(от 0,5 до 14 мол.%) и в разных количествах (от 1 до 25 мол.%) добавлялись оксиды
щелочноземельных элементов (MgO, CaO, SrO, ВаО). В работах [7, 9] были эмпири-
чески установлены составы алюмофосфатных стекол, оптимальные с точки зрения
величины и устойчивости внутренних электрических полей, связанных с накоплени-
ем объемного электрического заряда. Однако до сих пор недостаточно известна мик-
роскопическая природа возникновения и накопления объемного заряда в стеклах, так
же, как и роль отдельных компонентов стекла в эффективности накопления заряда.
При исследованиях на ускорителях и в космических экспериментах использо-
вались образцы стекол в форме дисков диаметром 40 мм и толщиной 0,3-5,0 мм.
Исследования снижения мощности дозы электронного излучения за заряжающими-
ся диэлектрическими стеклами в процессе образования объемного электрического
заряда при облучении на ускорителе проводилось в диапазоне энергий электронов
0,7-3 МэВ. Плотность тока пучка могла регулироваться в пределах 10"3-10-1 мкА-см"2
и непрерывно контролировалась в процессе облучения каждого образца.
В работах [10, 11] было показано, что центрами накопления электронов в фосфат-
ных стеклах могут служить ион-радикалы РО32~, хорошо изученные ранее с помо-
щью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Эти центры образуются в
фосфатных стеклах при облучении различными ионизирующими излучениями и
являются центрами электронного типа. Поэтому в настоящей работе были изучены
спектры ЭПР в облученных на ускорителе электронами (энергия Е = 1 МэВ, плот-
Таблица 2.10.3
Марки и составы исследовавшихся стекол
Стекло Молярное содержание, %
Р2О5 ЪагОз В2О3 А12ОЗ MgO СаО
Ц-22 51,2 9,2 8,9 6,1 24,4 -
Ц-23 54,8 9,9 9,5 6,5 - 19,0
Ц-24 60,0 10,9 10,4 7,2 - -
Ц-13 50,0 - 5,0 - 45,0 -
851 50,0 - - 5,0 45,0 -
858 75,0 - - 25,0 - -
17 70,0 - - 30,0 - -
20 50,0 - - - - -
23 50,0 - - - 50,0 -
551 64,8 1,1 10,1 9,25 14,7 -
27 60,0 - 3,0 10,0 12,0 10,0
28 75,0 25,0 - - -
ГЛАВА 2.10 ПОВЫШЕНИЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕКЛЯННЫХ...789
ность тока 0,01 мкА-см"2, время экспозиции 10 мин) стеклах, составы которых приве-
дены в табл. 2.10.3.
Таким образом, были изучены стекла со следующими особенностями состава:
• многокомпонентные стекла Ц-22, Ц-23 и Ц-24 одного и того же базового сос-
тава (в вес.%), в которых проводилось эквивесовое замещение 8 вес.% МО
(где М - щелочноземельный элемент) в направлении Mg —> Са —> Sr;
• многокомпонентные стекла Ц-13 и 551 с повышенным содержанием Р2О5;
• стекла метафосфатного состава (№ 23 и № 27) Р2О5-МО, где М = Mg, Ва;
• стекла метафосфатного состава 50 Р2О5-45 MgO-5 А12О3 (В2О3);
• бинарные алюмофосфатные стекла №№ 17, 20;
• бинарное лантанофосфатное стекло № 28.
Сначала измерялись спектры ЭПР облученных электронами монолитных образ-
цов с известной массой (от 0,09 до 0,17 г). Затем образцы механически разрушались с
образованием нескольких фрагментов. Полученные осколки не были настолько мел-
кими, чтобы привести к образованию парамагнитных центров, обусловленных раз-
рывом химических связей. Далее проводилась запись спектров ЭПР при тех же инст-
рументальных параметрах (СВЧ-мощность, ВЧ-модуляция, коэффициент усиления,
скорость развертки магнитного поля, постоянная времени регистрации, скорость
протяжки ленты самописца), что и для соответствующих монолитных образцов. Из-
мерения ЭПР проводились на модифицированном радиоспектрометре РЭ-1306 трех-
сантиметрового диапазона при комнатной температуре и при температуре жидкого
азота.
2.10.2.2. Результаты исследования спектров ЭПР
Образованию фосфорнокислых радикалов под действием у-облучения посвящено
много исследований, начиная с работы [12], где для их изучения применялся метод
ЭПР. Для фосфатных стекол известны спектры ЭПР различных фосфорнокислых
радикалов, содержащих один или несколько атомов фосфора. Для радикалов с одним
атомом фосфора наблюдается дублетное расщепление линии ЭПР, обусловленное
сверхтонким взаимодействием неспаренного электрона с магнитным ядром 31Р,
имеющим спин /= 1/2. К настоящему времени известны шесть типов дублетов для
фосфатных стекол. В табл. 2.10.4 приведены спектральные параметры для четырех из
них, которые наблюдались в изучавшихся здесь фосфатных стеклах.
Таблица 2.10.4
Значения спектральных параметров некоторых фосфорнокислородных радикалов
в фосфатных стеклах
Обозначение центра Радикал Диапазон значений константы СТС, Э Диапазон значений g-фактора
I роЛ 37-46 2,0064-2,0179
II ро32- 645-983 1,999-2,002
III РО32’ 1 085-1 392 2,032-2,084
IV РО22’ 260-300 1,9989-2,003
790 ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАЗДЕЛ 2
Ион-радикал РО42" (центр I) обычно трактуется как дырка, захваченная на тетра-
эдре [РО4].Согласно существующей модели, дырка захватывается немостиковым кис-
лородом, а увеличение интенсивности сигнала наблюдается при возрастании числа
немостиковых атомов кислорода в фосфоркислородном тетраэдре [13].
Ион-радикалу РО32“ соответствует два типа центров, характеризуемых соответст-
венно константами СТС -750-950 Э (центр II) и -1200-1300 Э (центр III). Это четы-
рехатомный радикал, в котором неспаренный электрон локализуется на центральном
атоме фосфора. Центр с более высоким расщеплением (центр III) образуется в ре-
зультате у-облучения образца при 77 К, а после нагрева стекла до комнатной тем-
пературы он переходит в центр II с меньшей константой СТС. При облучении об-
разца фосфатного стекла при комнатной температуре образуются оба типа центров.
В работе [13] показано, что при у-облучении фосфатных стекол, у которых содер-
жание Р2О5 менее 50 мол.%, образуются только центры I и II. Увеличение интенсив-
ности сигналов от этих центров с уменьшением содержания Р2О5 свидетельствует о
локализации радикалов на концевых группах полифосфатных цепей. В ультрафос-
фатах (концентрация Р2О5 больше 50 мол.%) между цепями тетраэдров возникают
поперечные связи и появляются точки разветвления, связывающие три тетраэдра
РО4. Центр III ион-радикала РО32", согласно [13], соответствует именно этому типу
точек.
В работе [14] показано, что добавка Се3+ в фосфатные стекла не приводит к из-
менению интенсивности сигналов от ион-радикалов РО32", что указывает на образо-
вание этих радикалов в результате захвата электронов на фосфоре. Предполагается,
что центр II радикала РО32" образуется при захвате электрона на трехкоординирован-
ном фосфоре, т. е. этот центр представляет собой электрон, захваченный на вакансии
немостикового атома кислорода. В работе [10] центр II рассматривается как электри-
чески активный центр вакансионного типа.
В ряде фосфатных стекол наблюдается центр IV с константой СТС -300 Э. Этот
центр образуется в сильно полимеризованных стеклах (лучше всего в чистой Р2О5) и
принадлежит пятиатомному радикалу РО42“[13]. Его связывают с разветвленными
структурными единицами, входящими в состав структурных групп Р4Ою. Так как
этот центр образуется чаще всего в восстановленных стеклах, его предшественником
в [15] предлагается считать трехвалентный фосфор Р3+.
В табл. 2.10.5 приведены данные интенсивности дублетов (в относительных еди-
ницах) для всех стекол, изученных в настоящей работе. За единицу была взята пико-
вая интенсивность одной из линий каждого дублета в спектре образца № 20. Так как
форма и ширина линий для каждого из дублетов практически не менялась от образца
к образцу, их относительная пиковая интенсивность может служить мерой изменения
концентрации того или иного радикала при переходе от одного образца к другому.
Кроме того, относительная пиковая интенсивность была нормирована к единице мас-
сы образца. Следует подчеркнуть, что для каждого из дублетов выбрана своя единица
пиковой интенсивности.
Из табл. 2.10.5 следует, что центр I наблюдается во всех стеклах. С центром I свя-
зана оптическая полоса поглощения с максимумом при 560 нм, ответственная за пур-
пурную окраску образцов. Согласно данным работы [13], интенсивность сигнала /
ГЛАВА 2.10
ПОВЫШЕНИЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕКЛЯННЫХ...
791
Таблица 2.10.5
Относительные интенсивности сигналов ЭПР фосфорнокислородных радикалов
Образец Центр I Центр II Центр III п
Ц-22 0,95 1,05 - 0,74
Ц-23 1 1,9 0,8
Ц-24 1,15 0,9 0,84
Ц-13 0,69 1,23 0,5 0,75
851 1,9 0,65 0,55
858 1,7 0,9 0,3 0,50
17 0,9 0,7 1 0,8
20 1 1 1 0,85
23 1,7 0,7 0,98
551 1,26 1,15 0,4 0,77
27 1,4 1,07 0,40
28 0,3 2,35 0,16 0,88
для у-облученных стекол растет с увеличением числа немостиковых атомов кисло-
рода. При электронном облучении, как видно из табл. 2.10.5, имеет место та же зако-
номерность. Так, наибольшую интенсивность сигнала I из всех изученных стекол
имеют образцы метафосфатного состава (№№23,27,858,851). В работе [13] было
установлено, что при эквимолекулярном замещении катиона с меньшей электроот-
рицательностью на большую растет интенсивность сигнала I. В изученных облучен-
ных электронами стеклах имеет место рост интенсивности этого сигнала в направле-
нии от Mg к Ва (№№ 27, 23), т. е. также с увеличением электроотрицательности ще-
лочноземельного элемента, при этом во всех образцах, содержащих более 50% Р2О5,
интенсивность сигнала I меньше, чем в метафосфатных стеклах, особенно в случае
стекла № 28.
Центр III, согласно [13], локализуется в точках разветвления фосфатных цепей, и
спектр ЭПР от него при у-облучении наблюдается только в ультрафосфатных стеклах
(т. е. при содержании Р2О5 выше 50 мол.%). В случае электронного облучения это
также имеет место (образцы №№ 17, 20). Однако если в лантаносодержащих у-облу-
ченных стеклах подобный сигнал имеет большую интенсивность [13], то после элект-
ронного облучения он очень слаб (образец № 28) или не наблюдается вовсе (образцы
Ц-22-Ц-24). Следует отметить, что в спектре стекол №№28, 406, 1007 обнаружен
дублет IV. Такой результат можно ожидать на основании данных для высокополиме-
ризованных у-облученных стекол.
Что касается поведения радикала РО32- (центр II), то в у-облученных фосфатных
стеклах интенсивность сигнала от центра II коррелирует с интенсивностью дубле-
та! [13]. В случае электронного облучения эти сигналы скорее антикоррелируют.
Следует отметить, что этот результат не является неожиданным, так как в работе [16]
792
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
уже было показано, что при электронном облучении образование дырочных центров
препятствует накоплению электронов на электронных ловушках, которые приводят к
появлению центра II. Таким образом, если поведение радикала I в фосфатных стек-
лах, облученных электронами, сходно с таковым при их у-облучении, то поведение
центров II и отчасти III - существенно отличается. Как было отмечено выше, в
[10, 11] именно с центром II связывают явление накопления объемного заряда в фос-
фатных стеклах.
В работе [10] изучались разделенные во времени эффекты облучения алюмофос-
фатных стекол в стационарном режиме электронами с энергией 1,2 МэВ и процессов
накопления парамагнитных центров при воздействии электронами с энергией
150 кэВ в импульсном режиме. В общем случае в спектрах ЭПР наблюдаются дубле-
ты I—IV. Установлено, что при термическом отжиге сигналы от радикалов I и III мо-
нотонно убывают с температурой, тогда как сигнал от радикала II возрастает до
600 К, проходит через максимум, после чего начинает убывать.
В работе [И] проведены дополнительные исследования фосфатных стекол, под-
вергнутых длительному хранению после облучения электронами с энергией 1,2 МэВ,
а также образцов, облученных электронами с энергией 150 кэВ в том же импульсном
режиме, что и в [10], при специальном подборе температур, позволившем осущест-
вить условия, при которых образуется только центр II. Изучалась термостимулиро-
ванная электронная эмиссия (ТЭЭ) и показано, что наиболее интенсивная ТЭЭ, свя-
занная с освобождением электронов из ловушек, приходится на границу термической
стабильности центров II и на область наибольшей скорости спада электрического
поля, откуда был сделан вывод, что центры II, представляющие собой радикалы
РО32-концевого типа, являются центрами накопления электронов.
В табл. 2.10.5 приведены также коэффициенты г|, представляющие собой от-
ношение интенсивности дублета II после разрушения образца к интенсивности до
разрушения. Видно, что для большинства фосфатных стекол эта величина равна
0,85 ±0,05, что соответствует уменьшению интенсивности на 15-20%. Исключение
составляют стекла №№27, 858, 851, для которых эта величина достигает 50-60%,
т. е. при механическом разрушении этих образцов электронные центра типа II те-
ряют -50% своих электронов. В то же время в образце № 23 электроны практиче-
ски не теряются при разрушении.
Если обратить внимание на состав образцов с наибольшими потерями электронов,
то они содержат 45-50 мол.% MgO. Более того, из табл. 2.10.5 можно видеть, что
коэффициент т| образцов Ц-22, Ц-13 и 551 свидетельствует о потерях электронов при
разрушении стекла -23-26%. В этих образцах присутствует MgO в количестве
12-25 мол.%.
2.10.3. О механизме накопления электрического заряда в фосфатных стеклах
Как следует из приведенных выше результатов, при механическом разрушении
стекол происходит уменьшение числа радикалов электронного типа РО32" (центра II).
На основании этого факта, а также данных работ [10, 11, 16], можно сделать вывод,
что электронные ловушки, ответственные за появление этих радикалов при воздейст-
ГЛАВА 2.10
ПОВЫШЕНИЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕКЛЯННЫХ...
793
вии ионизирующего излучения, являются также центрами захвата и накопления объ-
емного электрического заряда при облучении стекла электронами. В создание этих
центров вносят вклад как радикалы, образующиеся при захвате вторичных электро-
нов, связанных с ионизирующими излучениями, так и электроны, инжектированные
в процессе электронного облучения.
Следует отметить, что большинство фосфатных стекол, по-видимому, могут на-
капливать электрический заряд, поскольку содержат в своем составе электрически
активные центры, способные захватывать электроны. Более важным моментом яв-
ляется способность не только к захвату электронов, но и к их длительному хра-
нению. Как следует из предыдущего, наиболее эффективными в этом отношении
являются магнийсодержащие стекла, теряющие до 50% электронов из ловушек при
механическом ударе по стеклу, тогда как остальные - в среднем менее 20%. В ра-
боте [17] проведены расчеты напряженности электрического поля объемного заря-
да, характерные для различных стекол Е, [MB-см"1], а также плотность накопленной
энергии W, [Дж-см"3]. Так, для стекла Ц-13 £ = 2,1, а 17=0,75, тогда как для стекла
Ц-24 £ = 0,96, а 17=0,25. Сравнение с данными табл. 2.10.5 показывает, что вели-
чины £ и W больше у стекла Ц-13, для которого имеет место большее уменьшение
интенсивности сигнала ЭПР от центра II при разрушении монолитного стекла.
Более того, как показано в работе [7], где представлены результаты эксперимен-
тальных исследований электрофизических свойств бесщелочных алюмофосфат-
ных стекол при их взаимодействии с электронными пучками, при эквимассовом
замещении MgO -» СаО -» SrO в стеклах №№ Ц-22-Ц-24 происходит уменьшение
удельного сопротивления в 3 раза и увеличение диэлектрической постоянной в 1,25
раза. Оба эти фактора играют важную роль в процессе накопления объемного элек-
трического заряда. Из табл. 2.10.5 следует, что в этом же направлении происходит
увеличение коэффициента т|. В то же время в образце № 23, в котором центр II пос-
ле разрушения стекла изменяется меньше всего, из модификаторов содержится
только ВаО.
В работе [12], в которой также было обнаружено уменьшение накопления элект-
рического заряда в алюмофосфатных стеклах в направлении от Mg к Ва, этот эффект
объясняется тем, что связь Ва-0 является более сильной, чем связь Mg-O, из-за
большей разности электроотрицателыюстей элементов в первом случае, что способ-
ствует большему переносу электронной плотности с модификатора на фосфор и сни-
жает его способность к захвату электронов.
В эту концепцию укладывается и изменение состава за счет других элементов.
Так, замещение 50 мол.% Mg (электроотрицательность % =1,23) на 50 мол.% Ва
(% = 0,97) приводит к значительному увеличению коэффициента т| (от 0,4 до 0,98 -
стекла № № 27 и 23, табл. 2.10.5). Замещение всего 5 мол.% Mg на А1 (% = 1,5) или В
(% = 2) также приводит к увеличению т| до 0,50 и 0,55 соответственно.
Таким образом, с помощью ЭПР установлено, что основными центрами накоп-
ления отрицательного заряда являются электрически активные фосфорнокислые
радикалы РО32- электронного типа. Большинство фосфатных стекол способно к
накоплению объемного заряда. Однако наиболее эффективным из щелочноземель-
ных модификаторов является Mg.
794
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
2.10.4. Лабораторные исследования радиационно-защитных свойств
заряженных стекол
На ускорителе электронов были проведены исследования снижения мощности до-
зы за защитными стеклами в процессе образования в них объемного электрического
заряда при облучении. Энергия электронов составляла 0,7-3 МэВ, плотность тока
пучка могла регулироваться в пределах 0,001-0,1 мкА-см-2. Толщина образцов выби-
ралась, исходя из решения задачи определения защитных свойств стекол от пучков
моноэнергетических электронов, меньшей, сравнимой или превышающей пробег.
В результате было экспериментально установлено [9], что при образовании в
стекле объемного электрического заряда за образцом происходит снижение мощно-
сти поглощенной дозы (см. рис. 2.10.5). При толщине образца d <0,57? снижение
мощности дозы не превышает нескольких процентов (кривая 1). Наибольшее относи-
тельное снижение мощности дозы происходит при толщине образца 0,757? < d < 0,97?
(кривая 3).
При облучении образцов стекол, толщина которых намного превышает длину
пробега электронов 7?, доза в детекторе, расположенном за образцом, создается толь-
ко тормозным излучением, генерируемым пучком внутри облучаемого стекла. В экс-
перименте установлен эффект снижения мощности дозы от тормозного излучения за
образцом толщиной d= IfiR по мере накопления в нем объемного заряда (кривая 2).
При предельно больших значениях напряженности электрического поля в образце
для образцов с d> R уменьшение мощности дозы достигает 35-45%. В случае взаи-
модействия электронов с незаряженными материалами или проводящими металличе-
скими образцами при Z= 10-13 подобное снижение может быть достигнуто только
за счет заметного (в 1,5-2 раза) увеличения толщины. Кроме того, выход тормозного
излучения за пластинами из разработанных стекол оказался в 1,6 раза ниже, чем за
пластинами из алюминия, из-за более низко-
го эффективного атомного номера стекол.
Полученные закономерности изменения за-
щитных свойств стекол при зарядке элек-
тронным пучком сохраняются для диапазона
энергий 0,1-4,5 МэВ.
Наблюдение разрядных фигур Лихтен-
берга, образующихся в облученных стеклах в
результате ударной стимуляции, даже спустя
месяцы и годы после окончания облучения
на ускорителе, показало, что накопленный
объемный заряд образует плоский слой.
Толщина слоя для описанных условий облу-
чения образцов не превышала 0,3 мм незави-
симо от толщины образца стекла. Слой рас-
полагался вблизи середины пластины, если
пробег пучка моноэнергетических электро-
нов в начале облучения превышал ее толщи-
ну. В тех случаях, когда пучок полностью
Рис. 2.10.5. Зависимость относительной
мощности дозы за стеклянными
пластинами различной толщины d
от времени облучения электронами на
ускорителе при начальной энергии
То =1,5 МэВ: 1- d =0,457?;
2-d = 1,67?; 3-d =0,87?
ГЛАВА 2.10
ПОВЫШЕНИЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕКЛЯННЫХ...
795
Рис. 2.10.6. Зависимость относительной
дозы DIDq от флюенса электронов Ф
для стеклянных образцов различной
толщины: 1 - 1,5; 2 - 1,0; 3 - 0,5 мм
поглощался в пластине, слой разрядных фи-
гур располагался вблизи конца пробега.
Для количественной оценки радиацион-
но-защитных свойств заряженных стекол в
космических условиях в качестве имитато-
ра электронных потоков радиационных
поясов Земли был использован Р-источ-
ник Sr90-Y90 [И]. Объемный электрический
заряд в прямоугольных пластинах толщи-
ной 0,5; 1,0; 1,5 мм создавался путем облу-
чения на линейном ускорителе электронов с
энергией 1 МэВ при плотности тока пучка
0,05-0,2 мкА-см-2 до значений флюенса
1013-10'6 см-2.
На рис. 2.10.6 представлена зависимость
относительной дозы D/DQ, создаваемой
радионуклидом Sr90 за стеклянными пла-
стинами различной толщины d, от величины флюенса электронов Ф.
Измерение защитных свойств стекол производилось спустя 15-20 с после пре-
кращения облучения на ускорителе. Для набора последующих значений флюенса
использовались новые образцы стекла. Защитные свойства стекол определялись по
уменьшению мощности поглощенной дозы от указанного выше радионуклида за об-
разцом до и после облучения на ускорителе. Измерение мощности дозы производи-
лось при помощи высокочувствительного дозиметра с кремниевым полупроводнико-
вым детектором.
В результате было установлено, что увеличение флюенса заряжающего пучка
приводит к постепенному снижению дозы от бета-частиц. При некотором значении
флюенса скорость снижения уменьшается, и спад дозы достигает предельного значе-
ния, характерного для данной толщины стекла. Максимальное снижение мощности
дозы, полученное в эксперименте, составляет 30, 15 и 10%, для образцов соответст-
венно толщиной 0,5, 1 и 1,5 мм.
2.10.5. Эксперименты на искусственных спутниках Земли
Целью полетных исследований являлось определение способности разработанных
заряжающихся стеклообразных материалов сохранять накопленный объемный элек-
трический заряд на открытой поверхности КА и оценка радиационно-защитных
свойств заряженных образцов по отношению к космическому излучению. Объемный
заряд в исследовавшихся образцах стекол создавался при предполетном облучении
на электронных ускорителях. Выбор энергии электронов обеспечивал как глубинное,
так и приповерхностное залегание заряда.
Испытания устойчивости заряженного состояния и радиационно-оптических
свойств покрытий в космическом полете проводились на возвращаемых КА, имев-
ших высоту орбиты -300 км с наклонениями 62° и 82°, при длительности полета
15-20 дней [6].
796
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Во время проведения полетных экспериментов на ИСЗ «Космос-690, 782, 936»
использовались специальные контейнеры, устанавливаемые на внешнюю поверх-
ность. Каждый контейнер состоял из корпуса и крышки. Образцы материалов разме-
щались в корпусе на специальной плате с ячейками. Во время выведения спутника
контейнеры с открытой крышкой находились под теплозащитой обтекателя. Перед
спуском на Землю крышки закрывались, предохраняя образцы от перегрева во время
спуска.
Условия экспонирования стекол контролировались с помощью пассивных термо-
датчиков, дозиметров и трековых детекторов. Температура внутренних поверхностей
контейнера и образцов стекол во время полета не превышала 60°С. Поглощенная до-
за в стеклах, обусловленная ионизирующим космическим излучением за время поле-
та ИСЗ, составила 0,14-0,62 Гр.
После завершения полета проверялось наличие заряда в образцах путем ударной
стимуляции электрических разрядов и исследовалось распределение потенциала
внутри образцов методом гамма-зондирования. Проведение указанных измерений
производилось через время /пп после завершения полета, составлявшее от 3 до 8 ме-
сяцев. Во всех случаях измерения проводились также на контрольных заряженных
образцах, не экспонировавшихся в космосе.
Результаты исследований образцов приведены в табл. 2.10.6. Различие в величи-
нах потенциала обусловлено разными величинами флюенса электронов при зарядке
образцов на ускорителе. Как видно из табл. 2.10.6, величины потенциалов в кон-
трольных и экспонированных в космическом пространстве образцах практически не
отличаются.
Таким образом, было установлено, что потенциал электрического поля объемного
заряда сохраняется, а заряженное состояние стекол устойчиво к воздействию факто-
ров космического полета.
Таблица 2.10.6
Результаты исследований заряженного состояния образцов стекол
ИСЗ Состояние образцов стекол до полета Состояние образцов стекол после полета
Ударная стимуляция Г амма-зондирование
мес. Наличие заряда мес. Потенциал, кВ
заряженные 8 да 5 10-100
«Космос-690» незаряженные 8 нет 5 0
контрольные (заряженные) 8 да 5 10-100
заряженные 4 да 3 80-380
«Космос-782» незаряженные 4 нет 3 0
контрольные (заряженные) 4 да 3 100-400
заряженные 7,5 да 5 7-200
«Космос-936» незаряженные 7,5 нет 5 0
контрольные (заряженные) 7,5 да 5 4-300
ГЛАВА 2.10
ПОВЫШЕНИЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕКЛЯННЫХ...
797
Исследования радиационно-защитного эффекта, обусловленного объемной элект-
ризацией стекол, были продолжены на ИСЗ «Космос-2229» с использованием опи-
санной выше методики экспонирования образцов материалов на поверхности спут-
ника [11]. Для испытаний были выбраны образцы неорганических стекол толщи-
ной б/~0,5мм (0,125 г-см"2) и размером 10x20 мм. Использовались измерительные
сборки, в которых под образцами размещались тонкие термолюминесцентные до-
зиметры.
Объемный заряд в стеклах создавался облучением электронами на линейном ус-
корителе за две недели до установки на спутник. Средняя энергия электронов в пучке
составляла 0,9 МэВ, а средняя плотность тока - 0,01 мкА-см"2. Во время облучения
производился контроль тока электронов, падающих на образец, и измерялась мощ-
ность дозы за образцом.
В процессе облучения наблюдалось снижение мощности дозы за образцом до ус-
тойчивого минимального значения, составлявшего 0,7 от первоначальной мощности
дозы 20 рад-с"1.
Сборки двух типов с заряженным и незаряженным стеклом, снабженные термо-
люминесцентными дозиметрами, устанавливались попарно на алюминиевой плат-
форме в крышке или на дне одного из 4-х внешних контейнеров. Общее число сбо-
рок, экспонировавшихся на ИСЗ «Космос-2229», составляло 12 штук: 6 с заряжен-
ными и 6 с незаряженными стеклянными пластинами. Радиационные условия
экспонирования сборок в контейнере мониторировались с помощью интегральных
стеклянных термолюминесцентных дозиметров. В контейнерах также производились
измерения температуры.
Полет ИСЗ проходил с 29 декабря 1992 по 10 января 1993 гг. в течение 279 часов.
Высоты апогея и перигея орбиты находились соответственно в пределах 398-380 км
и 227-223 км, при наклонении орбиты 62-82°. Период обращения спутника состав-
лял 90,38 мин.
Послеполетная обработка данных, полученных с термодатчиков, показала, что во
время первых восьми дней пребывания спутника на орбите температура в контейнере
изменялась от -40 до +50°С, а в последние трое суток была постоянно выше нуля и
достигала 60°С.
Измерения с помощью дозиметрических сборок, служивших для исследования
глубинного распределения поглощенной дозы космического излучения, показали,
что по мере роста толщины вещества поглощенная доза быстро спадала от 32 Гр на
поверхности пластин до 0,008 Гр за слоем дозиметров толщиной 4 мм (1 г-см"2).
Средняя поглощенная доза за необлученными стеклянными пластинами составила
0,7 ± 0,05 Гр, а заряженными - составила в среднем по 6 сборкам 0,52 ± 0,05 Гр.
Результаты исследований на ИСЗ «Космос-2229» представлены в табл. 2.10.7.
Видно, что за заряженными на ускорителе стеклянными пластинами действие элект-
рического поля объемного заряда приводит к дополнительному снижению погло-
щенной дозы D на 30-40% относительно значения Do, соответствующего дозе за
незаряженными образцами.
На орбитах упоминавшихся выше спутников серии «Космос» поглощенная доза
за слоями вещества толщиной меньше 1 г-см"2 создается преимущественно электрон-
ным компонентом космического излучения, в то время как за слоями большей тол-
798
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Таблица 2.10.7
Ослабление поглощенной дозы за заряженными пластинами на орбите ИСЗ «Космос-2229»
Номер заряженного образца 1 3 5 7 9 11
Толщина образца, мм 0,52 0,56 0,57 0,50 0,50 0,55
Отношение D/Dq 0,7 0,6 0,55 0,75 0,75 0,53
щины вклад в поглощенную дозу обусловлен протонным излучением. В связи с этим
полученные результаты могут служить подтверждением того, что заряженные
стекла обладают повышенными радиационно-защитными свойствами по отноше-
нию к электронным потокам. Расчетные оценки глубинного распределения дозы от
электронного излучения на орбите ИСЗ «Космос-2229» показывают, что при ис-
пользовании пассивной защиты такое снижение дозы может быть достигнуто при
увеличении толщины слоя на 35-45%.
Таким образом, в результате объемной радиационной электризации стеклянные
слои приобретают дополнительные защитные свойства по отношению к электронно-
му излучению, проявляющиеся не только при облучении на ускорителе, но и в кос-
мическом пространстве. Стеклянные пластины, соответствующие по толщине анало-
гичным защитным покрытиям фотопреобразователей СБ, в заряженном состоянии
снижают в 1,5-1,8 раза поглощенную дозу от космического излучения на низкой
околоземной орбите по сравнению с незаряженными пластинами.
В целом, эксперименты в космосе показали, что объемный заряд, созданный в ре-
зультате предварительного электронного облучения, сохраняется в защитных стеклах
в условиях воздействия факторов космического пространства, а параметры электри-
ческих полей в стеклах вполне соответствуют задаче повышения радиационно-
защитных свойств диэлектрических покрытий.
Результаты выполненных исследований позволяют констатировать, что при ис-
пользовании эффекта объемной электризации диэлектрических покрытий для целей
радиационной защиты элементов КА достигается заметный эффект снижения воз-
действия электронов космического излучения и может быть увеличен ресурс функ-
ционирования КА на орбите.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крейнин Л.Б., Григорьева Г.М. Солнечные батареи в условиях воздействия космической радиации.
Исследование космического пространства. Итоги науки, 1979, т. 13, 127 с.
2. Raushenbach H.S. Solar cell array design handbook. The principles and technology of photovoltaic energy
conversion. Van Nostrand Reinhold Company, N.Y., 1980, 700 p.
3. Труханов K.A., Морозов Д.Х., Рябова Т.Я. Активная защита космических аппаратов. М.: Атомиздат,
1971,280 с.
4. Truchanov К.А., Morozov D.Kh., Ryabova T.Ya., Sedin G.Z., Tsetlin V.V. Some aspects of active shielding
against the radiation in space. Int. Congr. on Protection against Acellerator and Space Radiation. CERN, Ge-
neva, Sci. Rept. CERN, 1971, No 16/1, pp. 501-507.
5. Hollis D.L. Bremstrahlung shielding from electron trapping in dielectrics. Nucl. Technol., 1971, No 10,
pp. 325-327.
6. Колтун M.M., Цеглин В.В. Исследование устойчивости заряженного состояния оптических покрытий
солнечных элементов в космосе. Гелиотехника, 1985, № 2, с. 43-47.
ГЛАВА 2.10
ПОВЫШЕНИЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕКЛЯННЫХ...
799
7. Евдокимов О.Б., Ягушкин Н.И. Взаимодействие электронного пучка с объемным зарядом в диэлектри-
ках. ФТТ, 1974, т. 16, с. 564-565.
8. Цетлин В.В., Мазницына О.А., Шуршаков В.А. О радиационно-защитных свойствах слоев диэлектриков
с объемным электрическим зарядом. Атомная энергия, 1993, т. 74, вып. 2, с. 150-153.
9. Цетлин В.В., Павлушкина Т.К., Редько В.И. Снижение мощности дозы электронного излучения за сло-
ями заряжающихся диэлектриков. Атомная энергия, 1993, т. 74, вып. 2, с. 163-165.
10. Абдуллин А.А., Артамонова Г.И., Колтун М.М., Лезихин А.И., Павлушкина Т.К., Редько В.И., Цет-
лин В.В. Защитные свойства диэлектрических материалов с объемным зарядом. В кн.: Труды 3-й Все-
союзной научной конференции по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических устано-
вок, Тбилиси, 27-29 октября 1981. Тбилиси: ИПМ им. Векуа ТГУ, 1985, т. 111, с. 3-8.
11. Цетлин В.В., Павлушкина Т.К., Редько В.И. Исследование радиационно-защитного эффекта объемной
электризации стекол на ИСЗ «Космос-2229». Космические исследования, 1995, т. 33, № 3, с. 286-290.
12. Цетлин В.В, Павлушкина Т.К., Богомолова Л.Д. Стеклообразные радиоэлектреты - материалы для
радиационной защиты космических аппаратов. Стекло и керамика, 2001, № 4, с. 16-20.
13. Стародубцев В.А., Шиян А.Н., Заусаева Н.Н. Образование фосфорнокислородных радикалов в фос-
фатных стеклах при импульсном облучении электронами средних энергий. Физ. и Хим. Стекла, 1990,
т. 16, №2, с. 165-172.
14. Стародубцев В.А., Шиян А.Н., Портнягин А.С., Заусаева Н.Н. Роль радикалов РОз2" в накоплении заря-
да при облучении фосфатных стеклах электронами. Физ. и Хим. Стекла, 1991, т. 17, № 5, с. 816-818.
15. Карапетян Г.О., Шерстюк А.Н., Юдин Д.М. Исследование оптических и ЭПР-спектров у-облученных
фосфатных стекол. Оптика и Спектр, 1967, т. 22, № 3, с. 443-447.
16. Корниенко Л.С., Депкер Б.И., Осико В.В., Рыбалтовский А.О., Тихомиров В.А. Радикал-ионы в стек-
лообразных редкоземельных фосфатах, содержащих различные модификаторы. Физ. и Хим. Стекла,
1984, т. 10, №5, с. 592-598.
17. Аслундер В.Л., Лазарев В.Н., Цетлин В.В. Экспериментальные исследования взаимодействия пучков
электронов с высокоомным диэлектриком. ЖТФ, 1983, т. 53, № 3, с. 514-517.
ГЛАВА 2.11
МОДЕЛИРОВАНИЕ НА УСКОРИТЕЛЯХ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ
РАДИАЦИОННЫХ ПОЯСОВ ЗЕМЛИ
Зыков В.М., Соловьев Ю.А. (разд. 2.11.4)
ФГНУ «НИИ интроскопии»
Список сокращений
БА бортовая аппаратура
ИМС интегральная микросхема
РПЗ радиационные пояса Земли
ВВЕДЕНИЕ
При лабораторных исследованиях радиационного заряжения диэлектрических ма-
териалов космических аппаратов (КА) и изменения характеристик элементов их бор-
товой аппаратуры (БА) под действием электронов радиационных поясов Земли (РПЗ)
необходимо обеспечить адекватность радиационного воздействия в лабораторном
эксперименте воздействию в реальных условиях космической среды [1,2]. Важную
роль в решении этой задачи играет лабораторное моделирование спектрально-
угловых распределений электронного излучения РПЗ в элементах БА.
В данной главе рассмотрена методика такого моделирования с использованием
линейного ускорителя электронов и бетатрона, основанная на комбинации численно-
го эксперимента (метод Монте-Карло) и физического измерения параметров поля
электронного излучения. Входными данными для моделирования являются: тип ор-
биты, геометрия и состав материалов оболочки КА, параметры первичного пучка
ускорителя электронов. Для преобразования исходного пучка электронов использу-
ется мишень (конвертер) специальной конструкции или автоматическая система
ГЛАВА 2.11
МОДЕЛИРОВАНИЕ НА УСКОРИТЕЛЯХ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ РПЗ
801
управления энергией электронов в каждом цикле ускорения бетатрона. Методы обес-
печивают низкий фон тормозного излучения и высокую эффективность использова-
ния электронного пучка: до 2-3% для линейного ускорителя ЭЛУ-4 и до 10% - для
бетатрона МИБ-бэ.
2.11.1. Методика моделирования
Лабораторное моделирование спектрально-угловых характеристик ионизирующе-
го излучения по сути является обратной задачей по отношению к задаче определения
характеристик излучения в элементах БА КА на основании данных о радиационных
условиях в космической среде. Но обратная задача не имеет однозначного решения,
поскольку может быть решена на основе источников ионизирующего излучения раз-
личных типов. При ее решении необходимо по характеристикам первичного ионизи-
рующего излучения в космическом пространстве, излучения за оболочкой КА или в
элементах БА выбрать параметры моделирующей установки - излучателя и устрой-
ства формирования поля излучения.
Исходными данными для моделирования спектра электронов в элементах БА КА
являются:
• характеристики натурной радиационной обстановки;
• конструктивные особенности КА, обеспечивающие его радиационную защиту;
• конструктивные модели элементов БА, учитывающие структуру, геометриче-
ские размеры, а также плотность и химический состав материалов.
В процессе моделирования, исходя из типа орбиты КА, определяют характери-
стики натурных полей электронного излучения и их изменение во времени. При мо-
делировании усредненных радиационных условий эти характеристики могут быть
представлены в виде математических выражений, не зависящих от времени. Затем на
основании конструкторско-технологической документации строится модель элемен-
та БА для проведения расчетов методом Монте-Карло. Численным моделированием
переноса излучения рассчитываются спектрально-угловые характеристики излучения
и мощность дозы в элементе БА или в радиационно-чувствительном объеме этого
элемента для натурных условий. Далее на основе исходных характеристик электрон-
ного пучка ускорителя и их зависимости от режима работы ускорителя методом чис-
ленного моделирования находятся характеристики устройства формирования поля
излучения (конвертера), обеспечивающие требуемое спектрально-угловое распреде-
ление электронов в облучаемом элементе БА, и определяется необходимый режим
работы ускорителя. В заключение проводится тестовый эксперимент для подтвер-
ждения правильности работы программы расчета, выбора параметров устройства
формирования и режима работы ускорителя электронов.
Данные о потоках электронов РПЗ для периодов минимума и максимума солнеч-
ной активности приведены в [3, 4]. Усредненный интегральный спектр электронов в
области энергий 0,2-4 МэВ может быть описан выражением:
F(> Л) = С1ехр(Л/С2),
где Ci - коэффициент, характеризующий плотность потока электронов;
С2 = 0,29-0,42 МэВ - коэффициент, характеризующий жесткость спектра и завися-
802
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.11.1. Геометрия
расчета ИМС с корпусом
ОС 401.14-5: 1 - передняя
крышка; 2 - азот;
3 - керамика; 4 - кремний;
5 - задняя крышка
щий от типа орбиты КА. Угловое распределение элект-
ронов при этом предполагается изотропным. Для учета
пространственно-временных вариаций потоков электро-
нов разработаны соответствующие модели и компью-
терные программы.
Расчетная модель элемента в составе БА КА пред-
ставляет собой объемную структуру, в которой выде-
ляются области с различающимися по плотности и
химическому составу материалами. В соответствии с
особенностями геометрического блока использованной
программы расчета методом Монте-Карло реальная
геометрия элемента БА заменялась эквивалентной мо-
делью с цилиндрической симметрией, но с сохранением
конструктивных особенностей и основных размеров. На
рис. 2.11.1 приведен пример использовавшейся расчет-
ной модели кремниевой КМОП интегральной микро-
схемы (ИМС). Для численного моделирования переноса
излучения в элементе БА или в радиационно-чувстви-
тельном объеме этого элемента в натурных условиях
требуется расчетная модель конструкционной радиационной защиты КА.
Эта модель выполняется на основе конструкторской документации на КА и также
должна учитывать особенности геометрического блока имеющейся программы рас-
чета методом Монте-Карло. Из-за большой суммарной массовой толщины КА по
сравнению с пробегом среднестатистического электрона РПЗ в материале КА часть
расчетов конструкционной защиты КА может быть выполнена в плоской геометрии,
включающей слои экранно-вакуумной теплоизоляции, стенку термоконтейнера, воз-
душный промежуток и другие элементы.
Экспериментальное определение характеристик электронного пучка ускорителя и
их зависимости от режима работы ускорителя осуществляется на основе системы
контрольно-измерительных устройств, которые обеспечивают измерение плотности
потока электронов, равномерности радиального распределения электронов в пучке,
энергетического спектра электронов. В качестве измерительных устройств могут
применяться цилиндр Фарадея, ионизационная камера, магнитный спектрометр, сек-
ционированный цилиндр Фарадея. Обязательным является анализ всех факторов,
влияющих на погрешность измерений, и оценка относительной погрешности всех
измеряемых параметров. Измеренные характеристики электронного излучения уско-
рителя используются затем в виде исходных данных при численном моделировании
характеристик устройства формирования и определении необходимого режима рабо-
ты ускорителя.
В процессе расчета характеристик конвертера производится идентификация лабо-
раторных и натурных условий сравнением токовых или потоковых спектров элек-
тронов за оболочкой КА или в элементе БА. Расчет ведется методом Монте-Карло с
использованием банка данных по сечениям взаимодействия. Для правильного учета
излучения, попадающего в рассматриваемый элемент БА через боковые стенки, по-
перечные размеры источника излучения выбираются при расчете существенно боль-
ГЛАВА 2.11
МОДЕЛИРОВАНИЕ НА УСКОРИТЕЛЯХ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ РПЗ
803
ше поперечных размеров элемента БА. При моделировании траекторий электронов
необходим учет упругих столкновений электронов, ионизационных столкновений,
генерации тормозного излучения, отличий в потерях электронов и позитронов, анни-
гиляции электронов и позитронов. Минимальная энергия, до которой строятся траек-
тории электронов и позитронов, обычно не превышает 10 кэВ. При моделировании
переноса фотонов учитываются эффект Комптона, фотоэффект и эффект образования
электронно-позитронных пар. Минимальная энергия фотонов берется не более 1 кэВ.
Статистическая точность порядка 10-15% достигается при моделировании 20-25
тысяч историй.
Конвертер, помимо трансформации энергетического спектра электронов в область
низких энергий, обеспечивает за счет рассеяния электронов необходимое их угловое
распределение. С целью достижения идентичности энергетических и угловых харак-
теристик для моделируемого и натурного спектров варьируются параметры конвер-
тера и первичного пучка электронов.
Рассчитанные методом Монте-Карло спектры электронов для натурных и лабора-
торных условий получаются в виде таблиц (гистограмм) при неизвестных параметрах
обоих распределений. Поэтому должна проводиться проверка того, что эти спектры
принадлежат одной функции распределения, например, на основе непараметрическо-
го критерия однородности двух выборок Колмогорова-Смирнова [5, 6]. Для оценки
согласованности полученного и заданного энергетических распределений можно
также использовать критерий согласия Пирсона [6, 7]. Расчеты заканчиваются выбо-
ром параметров конвертера и режима работы ускорителя электронов.
Для подтверждения правильности выбора устройства формирования и режима
работы ускорителя электронов проводится тестовый эксперимент. При этом могут
измеряться как дифференциальные (например, энергетический спектр), так и инте-
гральные (доза или мощность дозы) характеристики сформированного поля элект-
ронного излучения за конвертером и внутри него. При измерении интегральных
характеристик, для обеспечения режима многоточечных измерений, тестовый экс-
перимент может быть спланирован как измерение характеристики поля излучения
при вариации параметров конвертера или как измерение дозы ионизационной ка-
мерой в зависимости от расстояния до конвертера. Вариация размеров конвертера
может быть выполнена за счет введения дополнительных поглотителей перед кон-
вертером.
2.112. Методы моделирования радиационных полей на ускорителях электронов
2.11.2.1. Общие принципы моделирования
Методы моделирования могут подразделяться в зависимости от используемых
средств на следующие виды:
• моделирование на основе однородных или гетерогенных рассеивающих экра-
нов - конвертеров (пассивные средства);
• моделирование с применением управления энергией ускоренных в ускорителе
электронов (активные средства);
• моделирование с применением комбинации пассивных и активных средств.
804
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХСИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Моделирование с применением пассивных средств является основным для уско-
рителей электронов, в которых затруднено оперативное управление энергией уско-
ренных электронов. Примером такого ускорителя является линейный ускоритель
электронов. Моделирование с применением активных средств, а также комбинации
активных и пассивных средств возможно для ускорителей, у которых энергия элект-
ронов может оперативно изменяться по заданной программе. Таким ускорителем
является бетатрон, в котором энергия ускоренных электронов может управляемым
образом изменяться в каждом импульсе излучения. Большим преимуществом ак-
тивного метода является возможность моделирования во времени не только вариа-
ций плотности потока электронов, но также вариаций энергетического спектра
электронов.
По отношению к способу формирования поперечных размеров поля электронного
излучения методы моделирования также можно подразделить на пассивные и актив-
ные. В пассивных методах для формирования необходимых поперечных размеров
поля используется способ рассеивающих фольг, включая фольгу выходного окна ус-
корителя электронов. В активных методах для формирования используется магнит-
ная развертка пучка электронов. Кроме того, способы моделирования различаются по
вкладу первичных электронов пучка в поток электронов в поле облучения.
Низкий фон тормозного излучения при высокой эффективности использования
первичных электронов пучка достигается применением рассеивающих экранов -
конвертеров типа «жалюзи» [8]. Применение этих конвертеров позволяет эффектив-
но моделировать спектр электронов за счет их отражения от наклонных пластин
жалюзи. Еще более эффективным является моделирование в случае комбинации
пассивных и активных средств.
Ниже приведены примеры результатов лабораторного моделирования элект-
ронной компоненты РПЗ, выполненного за последние годы в ФГНУ «НИИ интро-
скопии» [9-12].
2.11.2.2. Моделирование энергетических спектров электронов РПЗ на ускорителях
Моделирование па основе тормозного излучения
Форма энергетического распределения электронов, прошедших внутрь приборно-
го отсека КА в натурных условиях, и форма энергетического распределения электро-
нов для первоначально моноэнергетического пучка ускорителя электронов за одно-
родными или гетерогенными по химическому составу плоскими мишенями характе-
ризуются наличием максимума, но обладают противоположным типом асимметрии.
Энергетический спектр на борту КА в натурных условиях более вытянут в сторону
высоких энергий, в то время как спектр моноэнергетического пучка ускорителя элек-
тронов за плоскими мишенями более вытянут в сторону низких энергий и достаточно
резко обрывается в сторону высоких энергий. Следствием этого являются трудности
моделирования энергетического спектра электронов РПЗ в лабораторных условиях в
тех случаях, когда электроны высокоэнергетической части спектра играют сущест-
венную роль в исследуемых процессах. Примером могут служить наземные испыта-
ния с моделированием заряжения внутренних диэлектриков КА, поскольку электро-
ГЛАВА 2.11
МОДЕЛИРОВАНИЕ НА УСКОРИТЕЛЯХ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ РПЗ
805
ны, входящие в высокоэнергетическую часть спектра, создают заметную радиацион-
ную проводимость в глубине диэлектриков, способствуя релаксации накапливаемого
в них объемного заряда. Моделирование натурного спектра электронов при таких
испытаниях путем пропускания выведенного из ускорителя пучка электронов через
плоскую мишень [13], изготовленную из материала обшивки КА, может привести к
некорректной оценке заряжения внутренних диэлектриков.
Если ускоритель обладает необходимым запасом по току пучка, то задача моде-
лирования спектра электронов в заданной части объекта (например, ИМС) может
быть решена путем использования тормозного излучения. Действительно, форма
спектра тормозного излучения от источников моноэнергетических электронов за раз-
личными барьерами (см., например [14]) имеет тот же тип асимметрии, что форма
спектра электронов за конструкционной защитой КА. Можно ожидать, что спектр
вторичных электронов, рождаемых фотонами тормозного излучения в материале по-
глотителя, также будет близок к искомому спектру. Как показали расчеты на основе
программы [15], удовлетворительный результат достигается при использовании кон-
вертера в виде гетерогенного барьера, состоящего из чередующихся слоев вещества с
большими и малыми атомными номерами Z.
При проведении расчетов в качестве элемента БА фигурировала микросхема
КМОП-технологии. Спектр электронов определялся в кремниевом кристалле этой
микросхемы и складывался из электронов, вылетающих из материала конвертера
(например, гетерогенного барьера РЬ-А1) и электронов, рождаемых тормозным излу-
чением в материалах самой микросхемы. Первичный спектр электронов ускорителя
ЭЛУ-4 был измерен с помощью магнитного спектрометра, а для натурного спектра
использовалось приведенное выше выражение при С2 = 0,29 МэВ. Протяженность
высокоэнергетической части спектра можно регулировать увеличением энергии пуч-
ка электронов ускорителя. В каждом конкретном случае, в соответствии со степенью
жесткости моделируемого спектра, необходимую его форму можно подобрать путем
изменения начальной энергии пучка электронов и толщины слоев конвертера.
На рис. 2.11.2 изображен потоковый спектр электронов в кремниевом кристалле
микросхемы с корпусом типа 402.16, рас-
положенном на расстоянии 14 мм за кон-
вертером свинец-плексиглас-свинец в пуч-
ке ускорителя ЭЛУЛ со средней энергией
электронов 4 МэВ, в сравнении с электрон-
ным спектром в этой же микросхеме в на-
турных условиях.
Из расчетов следует, что для потока
электронов ~10и см”2-с-1, при котором еще
отсутствует значительный радиационный
нагрев, мощность дозы для ускорителя
ЭЛУЛ составит 104рад-с-1. Для сравне-
ния в натурных условиях при защитном
экране из 2 мм сплава МА2-1 мощность
дозы для этой же микросхемы составит
Рис. 2.11.2. Потоковые спектры в ИМС от
разных источников: 1 - натурный спектр;
7,7-10 3 рад-ч 1 или 2,4-10э рад-год 1. 2 - ЛУЭ-4 (Еср = 4 МэВ)
806
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Для воспроизведения вариаций плотности спектрального распределения в высо-
коэнергетической области спектра электронов, полученного на основе тормозного
излучения, необходимо управлять энергией ускоренных электронов, а иногда и пара-
метрами конвертера.
Моделирование с применением специальных рассеивающих экранов
Было проведено исследование эффективности конвертера типа «жалюзи» для
формирования на линейном ускорителе ЭЛУ-4 электронного спектра, близкого к на-
турному. В простейшем случае конвертер представлял собой набор коаксиальных
цилиндров различных радиусов, вложенных друг в друга и разрезанных под некото-
рым углом относительно оси цилиндров. Первичный моноэнергетический пучок
электронов падал на его торец и после рассеяния в стенках цилиндров выходил в
воздух, имея некоторое энергетическое и угловое распределение. Варьировать форму
этого распределения можно было изменением параметров конвертера (длины цилин-
дров, толщины и материала стенок цилиндров, толщины воздушного зазора между
цилиндрами и угла наклона).
Наличие воздушного зазора между цилиндрами увеличивает коэффициент про-
пускания низкоэнергетической компоненты излучения, которая имеет широкое угло-
вое распределение и достаточно легко попадает в воздушные каналы. Это сдвигает
максимум спектра излучения в область низких энергий. Высокоэнергетическая ком-
понента излучения распространяется преимущественно в прямом направлении, и ее
ослабление определяется суммарной толщиной стенок цилиндров. Для уменьшения
тормозного излучения в качестве материала стенок цилиндров рассматривались
алюминий и титан. Воздушный зазор между цилиндрами изменялся от 5 до 10 мм, а
угол разреза - от 45° до 60°.
На рис. 2.11.3 приведен пример полученного энергетического распределения
электронов за конвертером, цилиндры которого изготовлены из титана с толщиной
стенки 1 мм при таком же воздушном зазоре между стенками и угле разреза 45°. Пер-
вичный электронный пучок линейного ускорителя имел среднюю энергию 3,46 МэВ,
коэффициент использования первичного
пучка достигал нескольких процентов.
На основе магний-алюминиевого сплава
для ускорителя ЭЛУ-4 было сконструиро-
вано устройство типа «жалюзи», которое
при низком фоне тормозного излучения
моделирует энергетический спектр элект-
ронов за конструкционной защитой КА,
обеспечивая приемлемую однородность
поля излучения при поперечных размерах
до 1 м. При моделировании на линейном
ускорителе ЭЛУ-4 высокоэнергетической
части спектра электронов РПЗ (Е > 0,6 МэВ)
на площади 20 х 20 см максимальная плот-
ность потока электронов за конвертером
достигала 9,4-1010 см”2-с-1.
Рис. 2.11.3. Токовый спектр электронов:
гистограмма - расчет за конвертором типа
жалюзи; кривая - натурный спектр
С2 = 0,415 МэВ
ГЛАВА 2.11
МОДЕЛИРОВАНИЕ НА УСКОРИТЕЛЯХ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ РПЗ
807
Моделирование на бетатроне с управлением энергией электронов
Моделирование натурного спектра электронов РПЗ на бетатроне заключается в
программируемом выводе из ускорителя циклической последовательности групп
импульсов электронов определенной энергии и формировании требуемого спектра за
барьером из легкого вещества путем комбинирования этих групп импульсов. Опре-
деляя на основе метода Монте-Карло спектрально-угловые характеристики элек-
тронов за барьером из легкого материала для пучков с различной начальной дис-
кретной энергией и комбинируя их путем суммирования с разными весовыми от-
ношениями, можно интегрально за период циклической последовательности
получить в заданной области пространства требуемые спектрально-угловые харак-
теристики электронов.
Энергия электронов, выводимых из бетатрона, определяется временем их ускоре-
ния от момента инжекции до момента вывода путем возмущения магнитного поля.
Выводимые электроны обладают малым энергетическим разбросом и выходят из ус-
корительной камеры в краевое поле бетатрона, а далее движутся по траекториям,
которые не зависят от устройства вывода [16]. Азимутальное распределение элек-
тронного пучка на выходе из бетатрона слабо зависит от энергии ускоренных элек-
тронов. Управление энергией выводимого электронного пучка заключается в изме-
нении времени задержки между нарушением управляющего поля секторным возму-
щающим полем и моментом инжекции. Простота управления выводом электронов из
камеры бетатрона, возможность регулировки их энергии и постоянство геометриче-
ских параметров электронных пучков с разными энергиями позволяют эффективно
осуществить моделирование спектра электронов с заданными параметрами. Основ-
ной недостаток выведенного из бетатрона электронного пучка заключается в том, что
плотность потока частиц по сечению пучка весьма неоднородна [17]. Неоднород-
ность пучка обусловлена физикой процесса вывода. Поле облучения с достаточно
высокой степенью однородности достигается благодаря специальной системе фор-
мирования.
Расчеты показали, что для моделирования натурного спектра за оболочкой КА
достаточна совокупность групп электронов, выводимых из бетатрона с дискретными
энергиями от 1,4 до 6,0 МэВ. Количество дискретных каналов по энергии при этом не
превосходит 12-15. Число импульсов излучения по каждому дискретному каналу
колеблется от 1 до 3 000, а в упрощенном случае - от 1 до 500.
Для реализации этого подхода была разработана система автоматического регу-
лирования энергетического спектра частиц на основе многопозиционного триггера.
Переключение каждой ячейки триггера приводит к изменению времени задержки
импульса возмущающего поля относительно момента инжекции электронов в уско-
ритель и тем самым обеспечивает вывод электронов определенной энергии из бета-
трона. Интервал времени между переключением ячеек триггера регулируется запо-
минающим устройством и обеспечивает необходимый вклад частиц той или иной
энергии в суммарный спектр. Время переключения каналов регулируется от 10 мс до
30 с, что позволяет получать в одном цикле от 1 до 3 000 импульсов выведенных
электронов на каждом канале при работе ускорителя в режиме 100 Гц. Циклическое
переключение ячеек триггера обеспечивает квазинепрерывность суммарного спектра
во времени.
808
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Рис. 2.11.4. Спектры электронов за мишенью
из А1: сплошная кривая - натурный спектр;
гистограмма - смоделированный спектр
Практическое моделирование спектра
электронов на основе предварительно сде-
ланных расчетов методом Монте-Карло
было осуществлено за мишенью из алюми-
ния толщиной 4,2 мм на малогабаритном
импульсном бетатроне МИБ-6Э с выводом
пучка. В соответствии с расчетными реко-
мендациями бетатрон был настроен на вы-
вод электронов с фиксированными энер-
гиями: 2,6; 2,8; 3,0; 3,2; 3,4; 3,8; 4,0; 4,2 МэВ.
Различие в интенсивности частиц разной
энергии на выходе из камеры бетатрона
составляет не более 10-15%. Полученный
таким способом энергетический спектр
электронов за алюминиевым рассеивателем
приведен на рис. 2.11.4 в сравнении с на-
турным спектром на борту КА. Полное время переключения 11 каналов энергии за
один цикл составило около 6 с. За это время интегрально формируется требуемое
спектрально-угловое распределение электронов.
Чтобы удостовериться, что смоделированный экспериментально спектр электро-
нов совпадает с расчетным и соответствует натурному спектру, был выполнен специ-
альный тестовый эксперимент, в котором производилось сравнение расчетного и
экспериментального распределения мощности поглощенной дозы в гетерогенном
поглотителе от моноэнергетического и смоделированного пучков. Кроме того, были
выполнены эксперименты с вариацией толщины алюминиевого рассеивателя.
Сравнение результатов экспериментов и расчетов показывает их согласие в пре-
делах 8%. Таким образом, результаты тестового эксперимента однозначно подтвер-
дили идентичность моделируемого на бетатроне спектра спектру, полученному рас-
четом методом Монте-Карло и использованному в качестве основы для программи-
рования работы устройства управления.
Разработанный способ моделирования спектра обладает низким фоном тормозно-
го излучения и обеспечивает высокую эффективность использования первичного
электронного пучка (до 10%). Как уже указывалось, в рассмотренном варианте тре-
буемая спектральная плотность электронного излучения формируется за время 6 с. За
последующие 6 с может быть сформирован поток электронов с другой спектральной
плотностью распределения при сохранении того же углового распределения (близ-
кого к полуизотропному). Это позволяет эффективно моделировать вариации спект-
ральной плотности электронного излучения.
Таким образом, бетатрон обеспечивает уникальную возможность независимого
управления энергией и интенсивностью электронного излучения в каждом импульсе
по заданной программе. Его достоинством является то, что он может работать круг-
лосуточно под управлением микропроцессора, обеспечивая требуемые вариации
энергетического спектра и плотности потока электронов. Конкретные результаты
моделирования вариаций спектральной плотности и плотности потока излучения
зависят от типа бетатрона (малогабаритный импульсный, сильноточный и т. п.).
ГЛАВА 2.11
МОДЕЛИРОВАНИЕ НА УСКОРИТЕЛЯХ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВРПЗ
809
Использовавшийся для моделирования малогабаритный импульсный бетатрон
разработки НИИ интроскопии имеет максимальную энергию электронов 4,5-6,0 МэВ
при потребляемой мощности 2-3 кВт, он генерирует не менее 2-109 электронов за
цикл ускорения при частоте импульсов 50, 100 или 200 Гц или 2-1011 с”1 при частоте
100 Гц. Плотность потока электронов после моделирования достигает 108 см"2-с-1 при
площади облучения около 100 см2, что обеспечивает возможность решения большин-
ства задач наземных испытаний элементов БА КА.
2.11.3. Индивидуальная разбраковка интегральных микросхем
по радиационной стойкости
Ускорительная база НИИ интроскопии была использована, в частности, при прове-
дении работ по индивидуальной разбраковке КМОП ИМС по радиационной стойкости
к параметрическим отказам. Метод разбраковки, базирующийся на аналитическом
математическом моделировании [18], имеет преимущество перед методами, основан-
ными на физико-математическом моделировании, поскольку он не требует знания
физико-химических процессов, протекающих при радиационном воздействии.
Простейший математический метод разбраковки, который предполагает 100-про-
центную корреляцию между уровнем стойкости ИМС и исходным значением крите-
риального параметра, часто неприменим из-за значительной вероятности появления в
разбраковываемой партии ИМС приборов с аномальными значениями стойкости,
имеющими повышенную или пониженную скорость деградации. Это можно проил-
люстрировать на примере КМОП ИМС серии 1526 (рис. 2.11.5), где показано наблю-
даемое при электронном облучении различие динамики радиационных изменений
критериального параметра (выходного тока низкого уровня) для отдельных ИМС в
партии. Поэтому применяемая для разбраковки математическая прогностическая
модель должна иметь способность количественно описать все возможное разнооб-
разие динамики изменений критериального параметра ИМС в процессе радиацион-
ного воздействия независимо от начального
значения этого параметра.
Выполнение этого требования достига-
ется использованием многопараметрической
математической модели на основе много-
члена (полинома) со степенью п > 2 от лога-
рифма дозы. Необходимая для разбраковки
конкретных ИМС степень полинома выбира-
ется в зависимости от радиационных особен-
ностей ИМС.
Увеличение числа параметров математи-
ческой модели, используемой для аппрокси-
мации дозовой зависимости критериального
параметра ИМС, усложняет идентификацию
параметров этой модели по результатам ис-
пытаний обучающей выборки. Поэтому не-
обходим универсальный способ идентифика-
Выходной ток низкого уровня, мА
Рис. 2.11.5. Пониженная (кривая 1) и
повышенная (кривая 2) скорость
радиационной деградации выходного
инвертора ИМС 1526ЛА7
810
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
ции параметров многопараметрической модели по экспериментальным результатам
радиационного изменения критериального параметра ИМС в области малых доз и
по начальному значению этого параметра.
С учетом линейной связи между коэффициентами полинома, отвечающими за ди-
намику радиационного изменения критериального параметра, все взаимозависимые
коэффициенты полинома могут быть выражены через один из коэффициентов. На-
пример, при моделировании выходного тока / КМОП ИМС в зависимости от лога-
рифма дозы облучения D полиномом 5-й степени, взаимозависимые коэффициенты
этого полинома я2, ^5 могут быть выражены через коэффициент аь при этом
сам коэффициент а\ может не иметь выраженной зависимости от коэффициента я0
(случай, когда полная корреляция между начальным значением критериального па-
раметра и радиационной стойкостью отсутствует):
/(In D) = а0 + a, (In D)' + + B2)(ln D)2 + (Л3а, + В} )(ln D)3 +
+ (A4at + В4 )(ln D)4 + (А, а, + В, )(ln D)s.
Набор коэффициентов Л2, В2, В^ А4, В4, А$, В5 составляет параметры математи-
ческой модели, определяемые по результатам испытаний «обучающей» выборки
ИМС. Значения независимых параметров aQ и а\ для каждой ИМС разбраковываемой
партии находятся по результатам измерения критериального параметра до и после
облучения ИМС малой дозой излучения.
В качестве исходной информации для воспроизведения динамики радиационных
изменений критериального параметра используются данные по изменению критери-
ального параметра каждой ИМС в разбраковываемой партии после облучения малой
дозой радиации, которая составляет не более 1% от дозы, приводящей к отказу. Если
при этом радиационное изменение критериального параметра для ИМС разбраковы-
ваемой партии лежит в пределах 3-5% от начального значения, то это оказывается
достаточным для оценки радиационной стойкости каждой ИМС в партии с точно-
стью не хуже 30%.
В основе алгоритма оценки стойкости каждой ИМС в партии находится аппрок-
симация дозовой зависимости критериального параметра с использованием описан-
ной выше многопараметрической математической модели при двух независимых
параметрах. Функциональные соотношения между взаимозависимыми параметрами
модели устанавливают по результатам радиационных испытаний ИМС «обучающей»
выборки, сформированной из разбраковываемой партии. В качестве независимых
параметров математической модели для каждой ИМС выступают абсолютные значе-
ния критериального параметра, измеренные до и после облучения ИМС малой дозой
излучения.
Процедура определения стойкости при условии, что критериальный параметр для
разбраковываемых ИМС известен, сводится к следующим операциям:
• измеряют параметры ИМС разбраковываемой партии согласно техническим
условиям (ТУ);
• формируют «обучающую» выборку ИМС;
• одновременно облучают ИМС разбраковываемой партии и «обучающей» вы-
борки малой дозой ионизирующего излучения, приводящей к изменению кри-
териального параметра не более, чем на 3-5%;
ГЛАВА 2.11
МОДЕЛИРОВАНИЕ НА УСКОРИТЕЛЯХ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ РПЗ
811
• измеряют параметры ИМС разбраковываемой партии и «обучающей» выборки
согласно ТУ;
• проводят радиационные испытания «обучающей» выборки ИМС в соответст-
вии с требованиями действующих стандартов и электрического режима, ука-
занного в ТУ, для построения функциональных зависимостей радиационных
изменений критериального параметра вплоть до параметрического отказа;
• на основе результатов радиационных испытаний «обучающей» выборки ИМС с
применением линейной регрессии стоят математическую модель с двумя неза-
висимыми параметрами (определяют набор коэффициентов для определения
взаимозависимых параметров модели) и калибруют эту модель по результатам
испытаний «обучающей» выборки ИМС;
• производят расчет радиационной стойкости каждой ИМС разбраковываемой
партии по математической модели и
результатам изменения критериально-
го параметра до и после облучения
малой дозой излучения.
Исследования показали, что при форми-
ровании «обучающей» выборки ИМС по
определенному критерию объем «обучаю-
щей» выборки без существенного увеличе-
ния погрешности в оценке стойкости может
быть уменьшен до трех штук, причем одна
из этих ИМС будет служить в качестве кон-
трольной.
Совместное одновременное облучение
разбраковываемой партии и «обучающей»
выборки ИМС малой дозой излучения но-
сит принципиальный характер, обеспечивая
независимость ранжировании ИМС по
стойкости от неточности воспроизведения
заданной дозы ионизирующего излучения
на данной моделирующей установке. Ли-
нейная зависимость между взаимозави-
симыми параметрами математической мо-
дели экспериментально подтверждена для
всех исследованных типов КМОП ИМС. На
рис. 2.11.6 показана такая зависимость для
параметров а\ и а2 на примере выходного
тока высокого уровня ИМС 1526ЛП2.
Апробация метода разбраковки, прове-
денная для микросхем 1526ЛА7, 1526ЛП2,
564ЛА7 и 564ЛП2 для облучения в двух
электрических режимах (закороченные вы-
воды и меандр на входе), подтвердила его
высокую эффективность. На рис. 2.11.7 в
Рис. 2.11.6. Функциональная связь между
параметрами и а2 для выходного тока
высокого уровня ИМС 1526ЛП2
Доза до отказа, усл. ед.
104 г
Ю2 -----1---1----1---1----1---1----1---L_
0 10 20 30 40
Номер логического элемента
Рис. 2.11.7. Сопоставление прогноза
радиационной стойкости ИМС 1526ЛА7
с результатами испытаний: • - результаты
испытаний, х - результаты прогноза.
Электрический режим - меандр
812
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
качестве примера приведены результаты разбраковки партии ИМС 1526ЛА7 в коли-
честве 15 штук. В данном примере в качестве модели использован полином 5-й сте-
пени, а обучающая выборка состояла из трех микросхем. Видно, что погрешность
оценки значения предельно допустимой дозы по применяемому методу разбраковки
не превышает требования действующих стандартов. Подобные результаты получены
также для КМОП ИМС серии 564.
2.11.4. Моделирование электризации диэлектрических материалов
под действием электронов
Еще одним важным направлением исследований является изучение радиационной
электризации диэлектрических материалов под действием потоков электронов РПЗ и
горячей магнитосферной плазмы. Получаемые на ускорителях потоки электронов с
распределенными энергетическими спектрами могут быть использованы при лабора-
торном изучении явления электризации. Для формулировки требований к парамет-
рам электронных потоков и оценки соответствия результатов эксперимента реальным
условиям космического пространства с успехом может быть применено математиче-
ское моделирование процессов радиационной электризации [19-26]. Исходными
данными для проведения расчетов характеристик электризации являются:
• энергетический спектр электронов;
• плотность тока электронов;
• зависимость пробега первичных электронов от энергии;
• зависимость вторично-эмиссионных параметров от энергии;
• энергия образования электронно-дырочных пар;
• дрейфовая подвижность электронов;
• параметры распределения центров захвата по энергии;
• коэффициент рекомбинации электронов и дырок;
• температура среды.
Рис. 2.11.8. Зависимость потенциала
поверхности от энергии электронов
при различных значениях р, [Ом-м-1]:
1 - 510,э; 2 - 21013; 3 - ЫО'3; 4 - 51012
Рис. 2.11.9. Зависимость поверхностного
потенциала стекла К208 от энергии
электронов при разных плотностях
тока/, [нА-см-2]: 1 - 20; 2 - 2; 3 - 0,2
ГЛАВА 2.11
МОДЕЛИРОВАНИЕ НА УСКОРИТЕЛЯХ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ РПЗ
813
Расчеты позволяют получить распределения напряженности электрического поля
и заряда по толщине диэлектрика, а также значения потенциала поверхности.
На рис. 2.11.8 и 2.11.9 представлены некоторые результаты расчета потенциала
поверхности диэлектрических образцов, облучаемых моноэнергетическими пучками
электронов. Рис. 2.11.8 показывает зависимость потенциала поверхности образца от
энергии электронов Е при различном удельном сопротивлении материала р и плот-
ности тока пучка 2 нА-см”2.
На рис. 2.11.9 приведена аналогичная зависимость для стекла К208 толщиной
170 мкм при трех значениях плотности тока электронов j.
Представленные результаты показывают, что увеличение проводимости материа-
ла приводит не только к уменьшению потенциала поверхности, но и к смещению в
область меньших величин максимума в энергетической зависимости. Увеличение
плотности тока электронов ведет к воз-
растанию потенциала поверхности облу-
чаемого материала. В пределе потенциал
поверхности стремится к значению, рав-
ному разности между энергией электро-
нов и энергией, соответствующей второй
критической точке на энергетической
зависимости коэффициента вторичной
эмиссии.
Использованная методика позволяет
провести аналогичные расчеты для пото-
ков электронов с распределенными энер-
гетическими спектрами, которые описы-
ваются приведенным выше выражением
(разд. 2.11.1). На рис. 2.11.10 показаны
результаты расчетов распределения плот-
ности объемного заряда и электрическо-
го поля по толщине диэлектрика при
трех значениях параметра С2 в указанном
выражении.
Общим свойством влияния спект-
рального состава электронов, взаимодей-
ствующих с диэлектриком, является сни-
жение потенциала открытой поверхности
и выравнивание распределения электри-
ческого заряда по глубине образца при
росте средней энергии спектра.
Представленные результаты иллюст-
рируют возможности использованной
Рис. 2.11.10. Распределение плотности
объемного заряда р (а) и электрического
поля Е (б) по толщине х диэлектрика
при С2, [кэВ]: 1 - 50; 2 - 200; 3 - 400
модели накопления объемных зарядов в диэлектрических конструкционных мате-
риалах. Путем варьирования спектрального параметра С2 при проведении расчетов
можно добиваться наилучшего согласия результатов для натурного и модельного
спектров.
814
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
ЛИТЕРАТУРА
1. Wrenn G.L. Conclusive evidence for internal dielectric charging anomalies on geosynchronous communica-
tions spacecraft. Journal of Spacecraft and Rockets, 1995, v. 32, No 3, pp. 514-520.
2. Bond R.A., Latham P.M. An analysis of internal charging-phenomena. ESA, TLPA/31942/Rep/l, 1994.
3. ГОСТ 25645.139-86. Пояса Земли радиационные естественные. Модель пространственно-энергетиче-
ского распределения плотности потока электронов. М.: Издательство стандартов, 1986.
4. Авакян С.В., Вдовин А.И., Пустарников В.Ф. Ионизирующие и проникающие излучения в околозем-
ном космическом пространстве. Справочник. C-Пб.: Гидрометеонздат, 1994, 501 с.
5. Холлендер М., Вульф Д.А. Непараметрические методы статистики. М.: Финансы и статистика, 1983,518 с.
6. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: ГИФМЛ, 1962.
7. Anderson D.L., Dahnus R.G. Spacecraft and Rockets, 1975, v. 4, No 3.
8. Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов: Материалы кон-
ференции. Под ред. Зыкова В.М. Томск, 1991, с. 33-34, 154-159, 168-171.
9. Bespalov V.I., Zykov V.M. et al. The methodology of radiation testing of SC equipment elements and units
with a service life of 10-15 years. Международная конференция «Проблемы взаимодействия ИМСЗ с
космической средой», Новосибирск, 15-19 июня 1992 г., Иркутск, 1992, с. 117-118.
10. Беспалов В.И., Зыков В.М., Кашковский В.В. Росс. конф. «Взаимодействие космических аппаратов, с
окружающей средой». Иркутск, 1-3 ноября 1995 г. Программа и тезисы доклада. 1995, с. 48-49.
11. Беспалов В.И., Зыков В.М., Кашковский В.В. В сб.: IV Всероссийская конференция по модификации
свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Тезисы докладов. 13-17 мая
1996 г. Томск, 1996, с. 196-198.
12. Поллард Дж. Справочник по вычислительным методам статистики. Пер. с англ. Занадворова В.С. Под
ред. Четыркина Е.М. М.: Финансы и статистика, 1982, 334 с.
13. Rester D.H., Derrisckon J.H. Electron transmission measurements for Al, Sn and Au targets at electron bom-
barding energies at 1.0 and 2.5 MeV. J. Appl. Phys., 1971, v. 42, pp. 714-721.
14. Беспалов В.И. Характеристики тормозного излучения за плоскими мишенями, облучаемыми электро-
нами. Деп. ВИНИТИ, № 1782-80, Томск, 1980.
15. Беспалов В.И. Расчеты методом Монте-Карло характеристик полей электронов и квантов в однород-
ных и неоднородных поглотителях. Деп. ВИНИТИ, № 3707-80. М., 1980.
16. Кашковский В.В., Чахлов В.Л., Пущин В.С. Система формирования электронного пучка, выводимого
из малогабаритного бетатрона. Тезисы докл. VI Всес. совещ. по прим. уск. зар. част, в нар. хоз., 1988,
Ленинград. М.: ЦНИИ Атоминформ, 1988, с. 288-289.
17. Кашковский В.В., Чахлов В.Л., Филимонов А.А., Касьянов В.А. Выравнивание плотности потока элек-
тронов по сечению выведенного пучка бетатрона МИБ-10Э. 8-е совещание по применению ускорителей
заряженных частиц в промышленности и медицине. Тезисы докладов. М.: Атоминформ, 1995, с. 127.
18. Зыков В.М., Юнда Н.Т., Шеремет А.В. Разбраковка КМОП ИМС по стойкости на основе многопара-
метрической модели дозового изменения критериального параметра. В сб.: Радиационная стойкость
электронных систем. Стойкость-2004, вып. 7. М.: МИФИ, 2004, с. 91-92.
19. Воробьев А.А, Гусельников В.Н., Евдокимов О.Б. Химия высоких энергий, 1974, № 8, с. 428.
20. Евдокимов О.Б. Накопление объемного заряда в полимерных диэлектриках при облучении быстрыми
электронами. Сер. Радиационная стойкость органических материалов. М.: НИИТЭхим, 1979, 22 с.
21. Евдокимов О.Б. Объемная высокоэнергетическая инжекция электронов в диэлектрики. Известия вузов.
Физика, 1976, № 3, с. 7-12.
22. Евдокимов О.Б., Соловьев Ю.А. Изв. вузов МВ и ССО СССР. Физика, 1980, № 5, с. 96-98.
23. Кивенко Е.Б., Смекалин Л.Ф., Ягушкин Н.И. Временное изменение концентрации избыточных носите-
лей при облучении диэлектриков. Известия вузов. Физика, 1990, № 3, с. 47-52.
24. Yagushkin N.I., Sergeyev A.I., Grafodatsky O.S., Islayev Sh.N., Chemyavsky G.M. Proc. Inter. Conf, on
Probl. of Spacecraft, Novosibirsk, 1992, pp. 127-135.
25. Ягушкин Н.И., Графодатский O.C., Исляев Ш.Н., Сергеев А.И., Смекалин Л.Ф. Исследования по гео-
магнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 86. М.: Наука, 1989, с. 45-63.
26. Соловьев Ю.А., Бюллер А.В., Зыков В.М. Электризация диэлектрических материалов под действием
электронов космического пространства. Известия вузов. Физика, 2000, № 5, с. 32-36.
ГЛАВА 2.12
МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ
РАДИАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
И ИМПУЛЬСНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ
Никифоров А.Ю.1, Чумаков А.И.1, Яненко А.В.1, Артамонов А.С.1, Калашников О.А.1,
Скоробогатов П.К.1; Телец В.А.2, Брянда О.Е.2, Герасимов В.Ф.2; Улимов В.Н.3
1 ОАО «ЭНПО СПЭЛС»
2 22 ЦНИИИ Минобороны России
3 НИИ приборов
Список сокращений
ИС интегральная схема ПП полупроводниковый прибор
КП космическое пространство PC радиационная стойкость
ЛПЭ линейные потери энергии РФ радиационные факторы
МУ моделирующая установка ЭКБ электронная компонентная база
нд нормативный документ ЭМ электронный модуль
ВВЕДЕНИЕ
Задачи радиационных испытаний электронной компонентной базы (ЭКБ) - инте-
гральных схем (ИС), полупроводниковых приборов (ПП) и электронных модулей
(ЭМ) требуют реализации следующих процедур:
• облучения;
• дозиметрического сопровождения испытаний;
• измерения параметров-критериев работоспособности изделий при испытаниях;
• обработки результатов.
816
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
В соответствии с ГОСТ РВ 20.57.415 оценка радиационной стойкости (PC) ЭКБ
проводится по результатам испытаний на моделирующих и имитирующих установ-
ках, а также расчетно-экспериментальными методами.
Моделирующие установки (МУ) - источники радиационных воздействий, имею-
щие единую (близкую) физическую природу и характеристики с радиационными
факторами (РФ), воздействующими в реальных условиях эксплуатации. Для РФ кос-
мического пространства (КП) основными МУ являются ускорители и изотопные ис-
точники электронов, протонов и отдельных ядерных частиц.
Испытания с использованием МУ (ускорителей, изотопных и других источников)
основаны на обеспечении эквивалентного воспроизведения характеристик специаль-
ных факторов по ГОСТ РВ 20.39.414.2 и эффектов их воздействия на ЭКБ при моде-
лирующих воздействиях МУ. Испытания на МУ проводят по ГОСТ РВ 20.57.415.
Основным способом обеспечения адекватности испытаний на МУ является мак-
симально близкое соответствие мощностных и спектрально-энергетических характе-
ристик полей излучений МУ реальным РФ КП. Следует отметить, что ни одна из су-
ществующих МУ не в состоянии в точности воспроизвести комплексный характер
реального воздействия РФ КП. Поэтому на практике испытания на стойкость к воз-
действию РФ КП на МУ проводятся «пофакторно», т. е. сначала моделируются эф-
фекты воздействия электронного, затем - протонного излучений, и отдельно - эф-
фекты отдельных ядерных частиц. Различие мощностных и спектрально-энергетиче-
ских характеристик полей излучений МУ и реальных воздействий, а также
погрешность дозиметрии при испытаниях учитываются с помощью коэффициентов -
«норм испытаний» по ГОСТ РВ 20.57.415 и РД В 319.03.37.
Основные типы и характеристики МУ для радиационных испытаний ИС, ПП и
ЭМ на стойкость к воздействию РФ КП представлены в РД В 319.03.44.
Опыт радиационных испытаний позволяет констатировать, что основными досто-
инствами МУ для целей оценки PC ЭКБ являются: наибольшая адекватность эффек-
тов, учитывающая реальную физическую природу взаимодействия конкретных типов
излучений с изделиями; комплексный характер воздействия на все области изделий
(полупроводниковые, диэлектрические, подкорпусной объем, элементы конструк-
ции); отсутствие влияния на адекватность результатов испытаний корпусных элемен-
тов, защитных покрытий и др.; возможность облучать изделия значительных объемов
и габаритов.
Испытаниям на МУ присущи существенные недостатки. Так, дистанционный ха-
рактер измерений (длина измерительных линий достигает 50 м) и высокий уровень
помех и наводок на ускорителях не дают возможность осуществлять измерение мно-
гих информативных характеристик изделий непосредственно в процессе радиацион-
ных воздействий. Относительно малая доступность, низкая оперативность и произ-
водительность, и в целом - высокая стоимость «кванта испытательной информации»
не позволяют во многих случаях реализовать информативный объем испытаний, не-
обходимый и достаточный для обеспечения достоверной оценки PC ЭКБ.
Имитирующие установки (имитаторы) - источники воздействий различной фи-
зической природы, обеспечивающие адекватные проявление и моделирование доми-
нирующих эффектов в изделиях, вызываемых воздействием РФ в реальных условиях
эксплуатации.
ГЛАВА 2.12 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИОННЫХ...817
Испытания с использованием имитаторов основаны на обеспечении эквивалент-
ного воспроизведения при имитирующих воздействиях (рентгеновском, альфа-
частиц, лазерном и других) характера изменения параметров и проявления эффектов
(отказов, сбоев и т. п.) в ЭКБ по сравнению с факторами по ГОСТ РВ 20.39.414.2 по
критерию адекватности моделирования доминирующих эффектов (соответственно,
дозовых, структурных повреждений и др.). Следует отметить, что по отношению к
электронному и протонному излучениям КП широко используемые при испытаниях
гамма- и нейтронные излучения изотопных источников и реакторов являются имити-
рующими, а сами источники выступают в качестве имитаторов.
Имитационные методы экспериментального моделирования основаны на гипоте-
зе, что радиационный отклик ЭКБ представим в виде суперпозиции ограниченного
набора первичных радиационных эффектов (мощности дозы, дозовых, структурных
повреждений, локальных ионизационных и др.). Тогда выбор базового набора имита-
торов определяется на основе корреляционных связей «радиационная обстановка -
взаимодействие - эффекты - имитаторы» (рис. 2.12.1) [1-4].
Общие методики и порядок имитационных испытаний регламентированы
ГОСТ РВ 20.57.415, ОСТ 11 073.013 (ч. 10), РД В 319.03.22 и РД В 319.03.24.
Адекватность имитационного моделирования обеспечивается эквивалентностью
между доминирующим эффектом и типом энерговыделения от воздействия имитато-
ра, которое соответствует нормированному воздействию реального радиационного
источника. Адекватность и рациональные области применения имитационных испы-
таний подробно исследованы и обоснованы в многочисленных работах [5-12].
Рис. 2.12.1. Иллюстрация связей
«радиационная обстановка ~ взаимодействие - эффекты - имитаторы»
818
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
2.12.1. Рациональный состав и последовательность испытаний
Рациональный состав испытаний ИС, ПП и ЭМ на стойкость к воздействию РФ
КП должен устанавливаться с учетом требований и положений ГОСТ РВ 20.57.415,
ГОСТ РВ 20.57.418 и Общих технических условий на группы однородной продук-
ции, а на импульсную электрическую прочность - по ГОСТ РВ 20.57.415 и РДВ
319.03.30, и указываться в программе (методике, программе-методике) испытаний.
Минимально необходимый состав испытаний биполярных ИС и ПП должен вклю-
чать испытания на стойкость к воздействию факторов 7.К с характеристиками 7.К1,
7.К4 по ГОСТ РВ 20.39.414.2, а для КМОП (МОП ит. п.) ИС - с характеристиками
7.К1. Испытания микросхем на стойкость к воздействию факторов 7.К с другими ха-
рактеристиками по ГОСТ РВ 20.39.414.2 проводят при необходимости, если соответ-
ствующие требования заданы в ТЗ. При этом испытания проводятся на типовых
представителях, состав которых согласовывают с научно-исследовательской органи-
зацией заказчика. Перечень контролируемых (измеряемых) параметров ЭКБ при ис-
пытаниях, нормы на параметры, объем испытаний, методы и схемы контроля (изме-
рений) должны соответствовать нормативным документам (НД) и указываться в про-
грамме (методике, программе-методике) испытаний.
Проведению испытаний ЭКБ предшествуют подготовительные операции, кото-
рые включают:
• выбор типа МУ или имитатора (по результатам анализа доминирующих эффек-
тов и конструктивного исполнения микросхемы);
• определение норм испытаний по ГОСТ РВ 20.57.415;
• выбор параметров-критериев стойкости ЭКБ (согласно НД и с учетом особен-
ностей их функционирования);
• выбор методов и технических средств контроля (измерения) значений парамет-
ров и функционирования ЭКБ;
• подготовку экспериментального комплекса (источника с конструктивными
средствами, в том числе для испытаний в диапазоне температур, средств опре-
деления параметров воздействия, дозиметрического сопровождения испыта-
ний, устройств управления, задания режима работы, измерения электрических
параметров и контроля функционирования микросхем);
• подготовку образцов ЭКБ (например, удаление крышки корпуса при рентге-
новских испытаниях) и контактирующих устройств к испытаниям;
• разработку и согласование в установленном порядке программы и методики
(программы-методики) испытаний.
Используемые контактирующие устройства должны обеспечивать доступ испыта-
тельных воздействий к кристаллу микросхем (с учетом проникающих способностей
воздействий), возможность подключения по схеме испытаний, задания электрическо-
го и функционального режимов работы, а также измерения контролируемых пара-
метров микросхем в соответствии с НД.
Проведение испытаний микросхем включает:
• нормированное воздействие на испытываемый образец испытательных воздей-
ствий, в том числе заданной температуры среды, а также (при необходимости)
механических и климатических факторов после воздействий;
ГЛАВА 2.12 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИОННЫХ...819
• определение параметров испытательных воздействий (дозиметрическое сопро-
вождение);
• измерение значений параметров и контроль функционирования ЭКБ в процессе
и после испытательных воздействий;
• статистическую обработку результатов испытаний;
• оценку показателей стойкости ЭКБ по результатам испытаний;
• оформление результатов испытаний в установленном порядке.
Испытания ЭКБ с использованием имитаторов проводят при интегральном или
локальном воздействиях (соответственно, на весь кристалл изделия или на отдельные
его элементы и части).
Проведение испытаний микросхем при разработке, производстве и приемке осу-
ществляют испытательные лаборатории, аттестованные по РД В 319.006.
2.12.2. Методы испытаний микросхем на стойкость к воздействию факторов
7.К по ионизационным (дозовым) эффектам
2.12.2.1. Испытания с использованием рентгеновского имитатора
В настоящее время большинство испытаний ЭКБ на устойчивость к дозовым эф-
фектам при воздействии РФ КП проводится с использованием рентгеновских имита-
торов (метод 1000-3 ОСТ 11 073.013, ч. 10).
В основу испытаний ЭКБ на стойкость к воздействию факторов 7.К с характери-
стиками 7.К1, 7.КЗ, 7.К4, 7.К6, 7.К7, 7.К8 по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с использованием
«мягкого» рентгеновского излучения (рентгеновские имитационные испытания) по-
ложен физический характер изменений параметров-критериев ЭКБ, обусловленный
поверхностными ионизационными (дозовыми) эффектами.
Поверхностные ионизационные (дозовые) эффекты в ЭКБ, вызываемые воздейст-
вием факторов 7.К с характеристиками 7.К1, 7.КЗ, 7.К4, 7.К6, 7.К7, 7.К8 и «мягким»
рентгеновским излучением, считаются адекватными (эквивалентными) по признаку
идентичности деградации электрических и функциональных характеристик, контро-
лируемых по внешним выводам изделий.
Испытательный комплекс для рентгеновских имитационных испытаний должен
обеспечивать воздействие стационарного рентгеновского излучения на ЭКБ, задание
режима их функционирования, а также определение значений контролируемых пара-
метров рентгеновского излучения, измерение электрических параметров и контроль
функционирования ЭКБ во время и после воздействия рентгеновского излучения.
Для рентгеновских имитационных испытаний рекомендуется использовать рент-
геновский источник со следующими техническими характеристиками:
• средняя энергия квантов - не менее 8 кэВ;
• максимальная энергия квантов - не менее 30 кэВ;
• мощность экспозиционной дозы рентгеновского излучения - 0,1 до 1 000 ед-с-1;
• диаметр пятна - не менее 6 мм (не менее 50 мм при групповом воздействии на
несколько кристаллов в едином электронном устройстве);
• стабильность поля излучения при фиксированных значениях тока и напряже-
ния анода - не хуже 20%;
820 ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАЗДЕЛ 2
• возможность регулирования поля излучения с помощью изменений значений
тока 1а и напряжения анода Ua\
• минимально возможный уровень электромагнитных помех и наводок.
Рентгеновский источник должен соответствовать требованиям НД по обеспече-
нию радиационной безопасности, предъявляемым к источникам рентгеновского излу-
чения. При выборе рентгеновского имитатора необходимо учитывать, что рентгенов-
ское излучение с энергией квантов менее 3 кэВ сильно поглощается в воздухе и за-
щитных покрытиях кристалла микросхем.
Типовая структура экспериментального комплекса для рентгеновских имитаци-
онных испытаний ЭКБ представлена на рис. 2.12.2.
Облучение ЭКБ в металлокерамических корпусах следует производить «сверху»
(со стороны крышки корпуса) после предварительного удаления крышки корпуса.
Для изделий в пластмассовых корпусах допускается проводить облучение непосред-
ственно через корпус с обязательным учетом эффектов ослабления излучения рас-
четно-экспериментальными методами, в том числе по результатам калибровочных
испытаний на высокоэнергетичных источниках ионизирующих излучений.
Перед проведением рентгеновских имитационных испытаний с целью оценки воз-
можности их использования проводят расчетное или экспериментальное определение
характеристик поглощения поверхностных покрытий изделий (металлизации, лака,
компаунда и т. п.). Поверхность кристалла при испытаниях не должна «затеняться»
непрозрачными конструктивными элементами корпуса, контактирующих устройств и
оснастки.
В технически обоснованных случаях допускается проводить рентгеновские ими-
тационные испытания при облучении изделий «сверху» без удаления крышки корпу-
Рис. 2.12.2. Структура комплекса для рентгеновских имитационных испытаний
ЭКБ на стойкость к воздействию факторов 7.К с характеристиками 7.К1, 7.КЗ,
7.К4, 7.Кб, 7.К7, 7.К8 по ГОСТ РВ 20.39.414.2 по дозовым эффектам:
1 - рентгеновский источник; 2 - устройство перемещения; 3 - блок управления
устройством перемещения; 4 - блок управления рентгеновским источником;
5 - защитный бокс; 6 - испытываемая микросхема; 7 - блок контроля параметров
рентгеновского излучения; 8 - канал связи между блоком согласования и
коммутаций и испытываемой микросхемой; 9 - блок согласований и коммутаций;
10 - канал связи между средствами контроля и блоком согласования и
коммутаций; 11 - крейт с набором плат для проведения контроля и измерений;
12 - канал связи между крейтом и ПЭВМ; 13 - ПЭВМ
ГЛАВА 2.12 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИОННЫХ...821
са или «снизу» через основание корпуса. При этом рекомендуется использовать рент-
геновское излучение с максимальной энергией квантов не менее 50 кэВ.
При анализе и интерпретации результатов рентгеновских имитационных испы-
таний необходимо учитывать (по результатам моделирования) влияние на отжиг
радиационных эффектов режимов функционирования изделий во время и после
облучения, температуры и временных интервалов от момента начала облучения до
момента измерения параметров, а также возможные эффекты «усиления дозы» в
приповерхностных слоях чувствительных областей из-за переноса энергии вторич-
ными электронами.
Регулировка (ослабление) интенсивности рентгеновского излучения производит-
ся, как правило, изменением тока анода 7а и/или изменением расстояния от рентге-
новского источника до изделия.
Равномерность поля облучения по диаметру в плоскости воздействия контроли-
руют с помощью фотопластинок, ПЗС-матриц или специальных дозиметрических
пленок. Неоднородность затемнений характеризует отличия в интенсивностях облу-
чения.
В случае необходимости облучения отдельных элементов кристаллов микросхем
или отдельных кристаллов на пластинах необлучаемые их части рекомендуется за-
крывать маской, толщина которой определяется спектральным составом излучения и
используемым материалом.
Испытываемый образец микросхемы в контактирующем устройстве и рентгенов-
ский источник размещают в защитном кожухе с эквивалентной толщиной стенок,
обеспечивающей санитарные нормы НД по радиационной безопасности. Контроль-
но-измерительная аппаратура должна располагаться вне зоны облучения. Для конт-
роля экспозиционной дозы за пределами защитного кожуха используют стандартные
рентгеновские дозиметры.
Дозиметрическое сопровождение рентгеновских имитационных испытаний осу-
ществляют методами, приведенными в ОСТ 11 073.013, ч. 10.
Приближенная оценка показателей стойкости микросхем по результатам рентге-
новских имитационных испытаний может осуществляться путем пересчета экспози-
ционной дозы рентгеновского излучения Dx в эквивалентную (по эффекту) дозу DK
фактора 7.К с характеристиками 7.К1, 7.КЗ, 7.К4, 7.К6, 7.К7, 7.К8 с использованием
коэффициента эквивалентности рентгеновского и высокоэнергетичного излучений Кэкв:
Dk = K3KBDx. (2.12.1)
Коэффициент Кэкв в соотношении (2.12.1) может быть получен экспериментально
по результатам калибровочных испытаний микросхем на МУ и рентгеновском ими-
таторе или расчетным путем.
При сравнительных испытаниях необходимо обеспечить эквивалентность режи-
мов и условий работы микросхем (в частности - температуры окружающей среды)
как во время, так и после облучения, а также равенство временного интервала от мо-
мента начала облучения до начала измерения параметров-критериев.
Методы ускоренных испытаний на стойкость к низкоинтенсивным воздействиям
факторов 7.К с характеристиками 7.К1, 7.КЗ, 7.К4, 7.К6, 7.К7, 7.К8 приведены в
РД В 319.03.37.
822
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
2.12.2.2. Испытания с использованием изотопных источников
Испытания аппаратуры и ЭМ, а также ЭКБ в случаях, если конструктивное испол-
нение изделий не позволяет эффективно использовать рентгеновское излучение, ис-
пытания на устойчивость к дозовым эффектам при воздействии РФ КП проводятся с
применением изотопных источников (метод 1000-4 ОСТ 11 073.013, ч. 10), как правило,
имитаторов на базе гамма-источников 60Со и, реже, МУ электронного излучения.
В основу испытаний микросхем на стойкость к воздействию факторов 7.К с
характеристиками 7.К1, 7.КЗ, 7.К4, 7.К6, 7.К7, 7.К8 по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с исполь-
зованием изотопных источников гамма- и электронного излучения положен физиче-
ский характер изменений параметров-критериев микросхем, обусловленный поверх-
ностными ионизационными (дозовыми) эффектами.
Поверхностные ионизационные (дозовые) эффекты в микросхемах, вызываемые
воздействием факторов 7.К с характеристиками 7.К1, 7.КЗ, 7.К4, 7.К6, 7.К7, 7.К8 и
гамма- (электронным) излучением изотопных источников, считают адекватными
(эквивалентными) по признаку идентичности параметров излучений и эффектов воз-
действий - деградации параметров и характеристик, контролируемых по внешним
выводам микросхем.
Испытательный комплекс должен обеспечивать воздействие статического гамма-
(электронного) излучения на микросхемы, задание режима их функционирования, а
также определение значений контролируемых параметров излучения, измерение
электрических параметров и контроль функционирования микросхем во время и пос-
ле воздействия излучения.
Источник статического гамма- (электронного) излучения для испытаний ЭКБ на
стойкость к воздействию факторов 7.К должен иметь следующие характеристики
излучения:
• средняя энергия излучения от 0,5 до 2 МэВ;
• мощность экспозиционной дозы - в диапазоне от 0,01 до 1 000 ед-с-1;
• минимально возможный уровень электромагнитных помех и наводок.
Изотопный источник излучения должен соответствовать требованиям НД по
обеспечению радиационной безопасности.
Типовая структура комплекса для испытаний микросхем на стойкость к воздейст-
вию факторов 7.К по ГОСТ РВ 20.39.414.2 по дозовым эффектам с использованием
изотопного источника излучения представлена на рис. 2.12.3.
При анализе и интерпретации результатов испытаний на изотопных источниках
необходимо учитывать влияние (по результатам моделирования) рассеянных низко-
энергетичных частиц, на отжиг радиационных эффектов режимов функционирования
изделий во время и после облучения, температуры и временных интервалов от мо-
мента начала облучения до момента измерения параметров.
Методы ускоренных испытаний на стойкость к низкоинтенсивным воздействиям
факторов 7.К с характеристиками 7.К1, 7.КЗ, 7.К4, 7.К6, 7.К7, 7.К8 определены в
РД В 319.03.37.
Настоящий метод может быть распространен на испытания с использованием из-
лучений стационарных гамма-нейтронных источников (ядерных реакторов) и уско-
рителей электронов.
ГЛАВА 2.12 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИОННЫХ...
823
Рис. 2.12.3. Структура комплекса для испытаний микросхем на стойкость к
воздействию факторов 7.И, 7.С, 7.К с характеристиками 7.И7, 7.И10, 7.И12, 7.И14,
7.С4, 7.С6, 7.К1, 7.КЗ, 7.К4, 7.К6, 7.К7, 7.К8 по ГОСТ РВ 20.39.414.2 по дозовым
эффектам с использованием изотопного источника: 1 - изотопный источник;
2 - защищенная комната; 3 - испытываемая микросхема; 4 - канал связи между
блоком согласования и коммутаций и испытываемой микросхемой; 5 - блок
согласований и коммутаций; 6 - канал связи между средствами контроля и блоком
согласования и коммутаций; 7 - крейт с набором плат для проведения контроля
и измерений; 8 - канал связи между крейтом и ПЭВМ; 9 - ПЭВМ
2.12.2.3. Испытания с использованием источников импульсного электронного,
протонного и гамма-нейтронного излучений
Сравнительно низкая интенсивность излучения большинства изотопных источ-
ников и связанные с этим значительные времена испытаний определяют целесооб-
разность в технически обоснованных случаях использования высокоинтенсивных
источников - импульсных ускорителей и ядерных реакторов (метод 1000-5
ОСТ 11 073.013,ч. 10).
В основу испытаний микросхем на стойкость к воздействию факторов 7.К с ха-
рактеристиками 7.К1, 7.КЗ, 7.К4, 7.К6, 7.К7, 7.К8 по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с исполь-
зованием источников импульсного электронного, протонного, тормозного рентгенов-
ского и/или гамма-нейтронного излучения положен физический характер изменений
параметров-критериев микросхем, обусловленный поверхностными ионизационными
(дозовыми) эффектами.
Поверхностные ионизационные (дозовые) эффекты в микросхемах, вызываемые
воздействием факторов 7.К и электронным (протонным, тормозным рентгеновским,
гамма-нейтронным) излучением МУ и имитаторов, считаются адекватными (эквива-
лентными) по признаку идентичности деградации параметров и характеристик, кон-
тролируемых по внешним выводам микросхем или идентичности полей излучений и
эффектов воздействий.
Испытательный комплекс должен обеспечивать воздействие импульсного или пе-
риодического электронного (протонного, тормозного рентгеновского, гамма-нейтрон-
ного) излучений на объекты испытаний, задание режима их функционирования, а
также определение значений контролируемых параметров излучения, измерение
824
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
электрических параметров и контроль функционирования изделий во время и после
воздействия излучения.
Источники импульсного (однократного и/или периодического) электронного
(тормозного рентгеновского, гамма-нейтронного) излучения для испытаний микро-
схем на стойкость к воздействию факторов 7.К с характеристиками 7.К1, 7.КЗ, 7.К4 и
7.К6, 7.К7, 7.К8 должны иметь следующие характеристики полей излучения:
• энергия излучения - от 0,5 до 10 МэВ;
• диаметр пятна - не менее 6 мм;
• минимально возможный уровень электромагнитных помех и наводок.
Источник электронного (протонного, тормозного рентгеновского, гамма-нейтрон-
ного) излучения должен соответствовать требованиям НД по обеспечению радиаци-
онной безопасности.
В качестве базовых источников электронного (протонного, тормозного рентге-
новского, гамма-нейтронного) излучения, удовлетворяющих перечисленным требо-
ваниям, рекомендуется использовать установки, приведенные в РД В 319.03.44, атте-
стованные в установленном порядке.
Типовая структура комплекса для испытаний микросхем на стойкость к воздейст-
вию факторов 7.К с характеристиками 7.К1, 7.КЗ, 7.К4, 7.Кб, 7.К7, 7.К8 по дозовым
эффектам с использованием импульсных источников электронного (протонного,
тормозного рентгеновского, гамма-нейтронного) излучения аналогична представлен-
ной ранее на рис. 2.12.3.
Методы ускоренных испытаний на стойкость к низкоинтенсивным воздействиям
факторов 7.К с характеристиками 7.К1, 7.КЗ, 7.К4, 7.К6, 7.К7, 7.К8 определены в РД
В 319.03.37.
2.12.3. Методы испытаний микросхем на стойкость к воздействию факторов
7.К по эффектам структурных повреждений
2.12.3.1. Испытания с использованием ускорителя протонов
Испытания проводятся с целью оценки стойкости ЭКБ к воздействию факторов
7.К с характеристиками 7.К4, 7.Кб по ГОСТ РВ 20.39.414.2 по эффектам структурных
повреждений (метод 1000-8 ОСТ 11 073.013, ч. 10).
В основу испытаний ЭКБ с использованием протонного излучения положен фи-
зический характер изменений параметров-критериев микросхем, обусловленный
структурными повреждениями.
Объемные структурные повреждения в микросхемах, вызываемые воздействием
факторов 7.К с характеристиками 7.К4, 7.Кб и протонным излучением ускорителя,
считают адекватными (эквивалентными) по признаку идентичности параметров из-
лучений и эффектов воздействий.
Испытательный комплекс должен обеспечивать воздействие протонного излуче-
ния на объекты испытаний, задание режима их работы, а также определение пара-
метров излучения источника, электрических параметров и контроль функционирова-
ния микросхем во время и после воздействия протонного излучения.
ГЛАВА 2.12 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИОННЫХ...825
Источник протонного излучения для испытаний ЭКБ на стойкость к воздействию
факторов 7.К с характеристиками 7.К4 и 7.Кб (по эффектам структурных поврежде-
ний) должен иметь следующие характеристики полей излучения:
• энергия протонов - от 40 МэВ до 1 ГэВ;
• максимальная плотность потока протонов (в импульсе) - не более 1013час-
тиц-см“2-с-1;
• минимально возможный уровень электромагнитных помех и наводок.
Источник протонного излучения должен соответствовать требованиям НД по
обеспечению радиационной безопасности.
В качестве базовых источников протонного излучения, удовлетворяющих пере-
численным требованиям, рекомендуется использовать ускорители или синхротрон,
приведенные в РД В 319.03.44 и аттестованные в установленном порядке.
Типовая структура комплекса для испытаний ЭКБ на стойкость к воздействию
фактора 7.К с характеристиками 7.К4, 7.К6 по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с использовани-
ем источников протонов представлена ранее на рис. 2.12.3.
2.12.3.2. Испытания с использованием источника импульсного гамма-нейтронного
излучения
В основу испытаний ЭКБ на стойкость к воздействию факторов 7.К с характе-
ристиками 7.К4, 7.К6 по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с использованием источника импульс-
ного гамма-нейтронного излучения положен физический характер изменений пара-
метров-критериев микросхем, обусловленный структурными повреждениями (метод
1000-7 ОСТ 11 073.013,ч. 10).
Объемные структурные повреждения в микросхемах, вызываемые воздействием
факторов 7.К с характеристиками 7.К4, 7.К6 и источником импульсного гамма-
нейтронного излучения, считают адекватными (эквивалентными) по признаку иден-
тичности деградации электрических и функциональных характеристик, контроли-
руемых по внешним выводам микросхем.
Испытательный комплекс должен обеспечивать воздействие гамма-нейтронного
излучения на объекты испытаний, задание режима их работы, а также определение
параметров излучения источника, электрических параметров и контроль функциони-
рования ЭКБ во время и после воздействия гамма-нейтронного излучения.
Источник импульсного гамма-нейтронного излучения для испытаний микросхем
на стойкость к воздействию факторов 7К с характеристиками 7.К4 и 7.Кб должен
иметь следующие характеристики излучения:
• энергетический спектр нейтронов с энергиями выше 0,1 МэВ должен быть бли-
зок к спектру деления;
• поток нейтронов с энергией более 0,1 МэВ за импульс: в центральном канале -
не менее 1014, на поверхности активной зоны - не менее 1012 нейтрон-см-2;
• эффективные длительности импульсов нейтронов и гамма-излучения должны
находится в пределах от 10 до 1 000 мкс;
• энергия квантов сопутствующего гамма-излучения должна соответствовать со-
путствующему гамма-излучению для спектра деления.
826
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
Источник импульсного гамма-нейтронного излучения должен соответствовать
требованиям НД по обеспечению радиационной безопасности.
В качестве базового источника импульсного гамма-нейтронного излучения, удов-
летворяющего перечисленным требованиям, рекомендуется использовать реакторы,
приведенные в РД В 319.03.44, аттестованные в установленном порядке.
Типовая структура комплекса для испытаний микросхем на стойкость к воздейст-
вию факторов 7.К с характеристиками 7.К4, 7.Кб с использованием имитатора - ис-
точника импульсного гамма-нейтронного излучения аналогична представленной ра-
нее на рис. 2.12.3.
Настоящий метод может быть распространен на испытания с использованием из-
лучений источников нейтронов с энергией 14 МэВ.
2.12.3.3. Испытания с использованием изотопного имитационного источника
В основу имитационных испытаний ЭКБ, прежде всего микросхем, на стойкость к
воздействию факторов 7.К с характеристиками 7.К4, 7.К6 по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с
использованием излучения изотопного альфа-источника (изотопные имитационные
испытания) положен физический характер изменений параметров-критериев изде-
лий, обусловленный структурными повреждениями (метод 1000-6 ОСТ И 073.013,
ч. 10).
Объемные структурные повреждения в ЭКБ, вызываемые воздействием факторов
7.К с характеристиками 7.К4, 7.Кб и альфа-излучения изотопного источника, считают
адекватными (эквивалентными) по признаку идентичности деградации электриче-
ских и функциональных характеристик, контролируемых по внешним выводам мик-
росхем.
Испытательный комплекс должен обеспечивать воздействие альфа-излучения на
объекты испытаний, задание режима их работы, а также определение параметров
излучения изотопного источника, электрических параметров и контроль функциони-
рования ЭКБ во время и после воздействия альфа-излучения.
Для изотопных имитационных испытаний микросхем на основе базовых кремние-
вых структур рекомендуется использовать альфа-источник со следующими характе-
ристиками:
• средняя энергия альфа-излучения - порядка 5 МэВ;
• плотность потока альфа-излучения - не менее 106 частиц-см”2-с-1;
• период полураспада - не менее полугода.
Источник должен соответствовать требованиям НД по обеспечению радиацион-
ной безопасности.
Излучение альфа-источника характеризуется малой проникающей способностью
и не проходит через защитные слои толщиной от 20 до 30 мкм (Al, Si) и слои воздуха
более 3 см. При проведении испытаний в нормальных условиях расстояние между
поверхностью кристалла микросхемы и изотопным источником не должно превы-
шать 1 см. В иных случаях микросхема и альфа-источник должны размещаться в ва-
куумной камере.
Типовая структура экспериментального комплекса для изотопных имитационных
испытаний микросхем представлена на рис. 2.12.4.
ГЛАВА 2.12 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИОННЫХ...
827
Рис. 2.12.4. Структура комплекса для изотопных имитационных испытаний микросхем на
стойкость к воздействию факторов 7.И, 7.С и 7.К с характеристиками 7.И1,7.И4, 7.С1, 7.СЗ,
7.К4, 7.К6 по ГОСТ РВ 20.39.414.2 по эффектам структурных повреждений:
1 - изотопный источник; 2 - устройство перемещения изотопного источника;
3 - вакуумная камера; 4 - испытываемая микросхема; 5 - блок контроля параметров
поля излучения; 6 - форвакуумный насос с манометром; 7 - канал связи между блоком
согласования и коммутаций и испытываемой микросхемой; 8 - блок согласований и
коммутаций; 9 - канал связи между средствами контроля и блоком согласования и
коммутаций; 10 - крейт с набором плат для проведения контроля и измерений;
11 - канал связи между крейтом и ПЭВМ; 12 - ПЭВМ
Облучение микросхем в корпусе следует производить после предварительного
удаления крышки корпуса (облучение «сверху»).
При анализе результатов изотопных имитационных испытаний с использованием
альфа-источников необходимо учитывать (по результатам моделирования) возмож-
ную неравномерность распределения радиационных дефектов по глубине активной
области микросхемы вследствие возрастания доли энергии, затрачиваемой на струк-
турные повреждения по мере торможения альфа-частицы в слоях более 20 мкм, воз-
можность влияния поверхностных радиационных эффектов на деградацию характе-
ристик микросхем.
Вакуумные камера, насос и клапан в составе испытательного комплекса должны
обеспечивать уровень разряжения не менее 1 мм рт. ст. в течение всего времени ис-
пытаний (до 100 ч).
Оценка показателей стойкости микросхем по результатам их испытаний на изо-
топном альфа-источнике может осуществляться путем пересчета потока альфа-
частиц Фа в эквивалентные (по эффекту) уровни факторов 7.К - Фр с использованием
коэффициентов, характеризующих связь поглощенной энергии (величины d-кермы),
затрачиваемой на дефектообразование:
Фа = ^экв-Фр, (2.12.2)
где Кзкв - коэффициент эквивалентности излучений изотопного источника и факто-
ров 7.К.
Коэффициент эквивалентности в соотношении (2.12.2) может быть получен по ре-
зультатам калибровочных испытаний микросхем на МУ и изотопном альфа-источни-
ке или расчетным путем по РД В 319.03.22.
828
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
2.12.4. Методы испытаний ЭКБ на стойкость к воздействию факторов 7.К
по одиночным эффектам
2.12.4.1. Испытания с использованием ускорителей протонов
В основу испытаний ЭКБ на стойкость к воздействию факторов 7.К с характери-
стиками 7.К9-7.К12 по ГОСТ РВ 20.39.414.2 по одиночным эффектам с использо-
ванием протонного излучения положен физический характер изменений параметров-
критериев микросхем, обусловленный локальными ионизационными эффектами
(метод 1000-11 ОСТ 11 073.013, ч. 10).
Локальные ионизационные эффекты в ЭКБ, вызываемые воздействием факторов
7.К с характеристиками 7.К9-7.К12 и протонным излучением, считаются адекватны-
ми (эквивалентными) по признаку идентичности импульсных реакций (откликов) -
параметрических и (или) функциональных сбоев и отказов, контролируемых по
внешним выводам микросхем.
Требования к техническим средствам испытаний изложены в разд. 2.12.3.1. Типо-
вая структура экспериментального комплекса для испытаний микросхем на ускори-
телях представлена ранее на рис. 2.12.3.
Параметры пучка протонов (плотность потока, характеристики импульсов) опре-
деляют исходя из того, что за приемлемое время облучения (от 5 до 30 мин) необхо-
димо получить достаточные статистические данные (порядка 102 одиночных эффек-
тов) при условии, что число регистрируемых эффектов не превышает от 10 до 20% от
общего количества чувствительных элементов испытываемой микросхемы. Типич-
ные потоки протонов, при которых появляются первые одиночные эффекты, нахо-
дятся в пределах от 108 до Ю10 протон-см”2.
Экспериментальные значения сечений одиночных эффектов микросхем должны
быть получены не менее чем при трех значениях энергии протонов с ненулевыми
значениями одиночных эффектов. Рекомендуется определять зависимость сечения
эффекта для максимально возможного значения энергии протонов вблизи порога
проявления эффектов и между этими крайними значениями.
Диаметр пучка должен обеспечить однородную плотность потока протонов по
всем одновременно облучаемым образцам. В случае узкого пучка протонов с энерги-
ей не менее 200 МэВ допускается размещение образцов последовательно (вплотную)
друг за другом по оси пучка протонов.
Оценки чувствительности ЭКБ к воздействию факторов 7.К с характеристиками
7.К9-7.К12 по ГОСТ РВ 20.39.414.2 по одиночным эффектам по результатам их ис-
пытаний на ускорителе протонов осуществляют путем пересчета количества эффек-
тов в зависимость сечения эффекта от энергии и определения по этим зависимостям
сечения насыщения эффектов, пороговой энергии протонов. Сечение эффекта по ре-
зультатам испытаний определяют как отношение количества зарегистрированных
эффектов к потоку частиц.
Оценку пороговых значений энергии и показателей стойкости ЭКБ по результа-
там их испытаний на ускорителях протонов осуществляют путем пересчета потока и
полученных параметров чувствительности к фактору 7.К с характеристиками
7.К9-7.К12 по методике, приведенной в РД В 319.03.24.
ГЛАВА 2.12 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИОННЫХ...
829
2.12.4.2. Испытания с использованием ускорителей ионов
В основу испытаний ЭКБ на стойкость к воздействию факторов 7.К с характери-
стиками 7.К9-7.К12 по ГОСТРВ 20.39.414.2 с использованием излучения ионов по-
ложен физический характер изменений параметров-критериев изделий, обусловлен-
ный локальными ионизационными эффектами (метод 1000-12 ОСТ 11 073.013, ч. 10).
Локальные ионизационные эффекты в ЭКБ, вызываемые воздействием факторов
7.К с характеристиками 7.К9-7.К12 и излучений ионов, считаются адекватными (эк-
вивалентными) по признаку идентичности импульсных реакций (откликов) - пара-
метрических и (или) функциональных сбоев и отказов, контролируемых по внешним
выводам микросхем.
Средства для проведения испытаний микросхем должны включать в свой состав:
• ускорители ионов с линейными потерями энергии (ЛПЭ) частиц в кремнии от 1
до 100 МэВ-мг-1-см2 и с энергией от 0,1 до 40 МэВ/нуклон;
• средства позиционирования испытываемых микросхем под пучками ионов;
• устройства для задания электрического и функционального режимов и прове-
дения функционального контроля испытываемых микросхем;
• каналы связи между испытываемыми микросхемами и ПЭВМ.
Для проведения испытаний рекомендуется использовать ускорители ионов, при-
веденные в РД В 319.03.44. Типовая структура экспериментального комплекса для
испытаний изделий представлена ранее на рис. 2.12.3.
Параметры пучка ионов (плотность потока, характеристики импульсов) опреде-
ляют, исходя из того, что за приемлемое время облучения (от 5 до 30 мин) необходи-
мо получить достаточные статистические данные (порядка 102 одиночных эффектов)
при условии, что число регистрируемых эффектов не превышает от 10 до 20% от об-
щего количества чувствительных элементов испытываемой микросхемы. Типичные
потоки ионов, при которых появляются первые одиночные эффекты, находятся в
пределах от 103 до 105 ион-см"2.
Экспериментальные значения сечений одиночных эффектов ЭКБ должны быть
получены не менее чем при трех значениях ЛПЭ с ненулевыми значениями одиноч-
ных эффектов. Рекомендуется определять зависимость сечения эффекта для макси-
мально возможного значения ЛПЭ, вблизи порога проявления эффектов и между
этими крайними значениями. Диаметр пучка должен обеспечить однородную плот-
ность потока ионов по всем одновременно облучаемым образцам.
Оценки чувствительности ЭКБ к воздействию факторов 7.К с характеристиками
7.К9-7.К12 по одиночным эффектам по результатам их испытаний на ускорителе
ионов осуществляют путем пересчета количества эффектов в зависимость сечения
эффекта от ЛПЭ и определения по этим зависимостям сечения насыщения эффектов
и пороговых ЛПЭ. Сечение эффекта микросхемы по результатам испытаний опреде-
ляют как отношение количества зарегистрированных эффектов к потоку частиц. По-
ровые значения энергии определяют по результатам испытаний по методике, приве-
денной в РД В 319.03.24.
Оценку показателей стойкости микросхем по результатам их испытаний на уско-
рителях ионов осуществляют путем пересчета полученных параметров чувствитель-
ности к факторам 7.К с характеристиками 7.К9, 7.К10, 7.К11, 7.К12 по методике,
приведенной в РД В 319.03.24.
830
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
2.12.4.3. Испытания с использованием лазерного имитатора
В основу имитационных испытаний ЭКБ, прежде всего микросхем, на стойкость к
воздействию факторов 7.К с характеристиками 7.К9-7.К12 по ГОСТ РВ 20.39.414.2
по одиночным эффектам с использованием сфокусированного импульсного лазерно-
го излучения положен физический характер изменений параметров-критериев мик-
росхем, обусловленный локальными ионизационными эффектами (метод 1000-9
ОСТ 11 073.013,ч. 10).
Локальные ионизационные эффекты в микросхемах, вызываемые воздействием
факторов 7.К с характеристиками 7.К9-7.К12 и сфокусированным импульсным ла-
зерным излучением, считают адекватными (эквивалентными) по признаку идентич-
ности импульсных реакций (откликов) - параметрических и/или функциональных
сбоев и отказов, контролируемых по внешним выводам микросхем.
Испытания на лазерных имитаторах со сфокусированным излучением обеспечи-
вают целенаправленное воздействие на отдельные чувствительные элементы микро-
схем и определение пороговых значений ЛПЭ или пороговых значений энергии (за-
ряда) переключения чувствительных элементов микросхем.
Средства для проведения испытаний должны включать в свой состав следующие
основные элементы:
• лазерный источник однократных импульсов излучения;
• оптическую фокусирующую систему;
• систему формирования гауссова пучка;
• систему визуализации лазерного излучения;
• систему юстировки;
• систему ослабления лазерного излучения;
• систему регистрации энергии однократного импульса лазерного излучения;
• предметный столик для размещения исследуемой микросхемы с возможностью
перемещения по трем координатам с точностью несколько микрометров;
• средства задания электрического и функционального режимов исследуемой
микросхемы.
Испытательный комплекс должен обеспечивать однократные импульсы излуче-
ния с длительностью не более 100 пс и энергией в импульсе не менее 100 нДж. Для
определения пороговых значений ЛПЭ длина волны лазерного излучения должна
быть в пределах от 0,95 до 1,08 мкм. Для определения энергии переключения чувст-
вительных элементов длина волны лазерного излучения имитатора должна быть не
более 0,6 мкм.
Оптическая система должна обеспечивать фокусировку лазерного излучения до
диаметра менее 5 мкм с фокусным расстоянием не менее 20 мкм. Система визуализа-
ции лазерного излучения совместно с предметным столиком необходима для локали-
зации воздействия лазерного излучения на кристалле микросхемы с разрешением не
менее 2 мкм. В технически обоснованных случаях допускается использовать сфоку-
сированное лазерное излучение с длительностью импульса до 20 нс и диаметром
пятна до нескольких миллиметров. В качестве базового лазерного имитатора реко-
мендуется использовать имитаторы, приведенные в РД В 319.03.44.
Типовая структура экспериментального комплекса для лазерных имитационных
испытаний изделий по одиночным эффектам представлена на рис. 2.12.5.
ГЛАВА 2.12 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИОННЫХ...
831
Рис. 2.12.5. Структура комплекса для лазерных имитационных испытаний микросхем по
одиночным эффектам: 1 - лазерный источник однократных импульсов излучения пикосекундной
длительности; 2 - электрооптический затвор; 3 - преобразователь излучения во вторую гармонику;
4 - система формирования гауссова пучка; 5-7 - система ослабления лазерного излучения
(5 - ступенчатый ослабитель; 6 - плавный ослабитель; 7 - селективные фильтры);
8-13 - оптическая фокусирующая система (8 - блок ввода лазерного излучения в оптический
канал наблюдения; 9 - микрообъектив; 10 - калиброванный датчик излучения; 11 - блок
согласований и коммутаций; 12 - окуляр для визуального контроля; 13 - телекамера);
14 - юстировочный лазер; 15 - датчик контроля параметров лазерного излучения; 16 - скоростной
осциллограф; 17 - испытываемая микросхема; 18 - канал связи между средствами контроля и
блоком согласования и коммутаций; 19 - крейт с набором плат для проведения контроля
и измерений; 20 - канал связи между крейтом и ПЭВМ; 21 - ПЭВМ
Облучение начинают с энергии в импульсе не выше 30% от ожидаемого порого-
вого значения энергии одиночного эффекта для испытываемой микросхемы (при от-
сутствии такой информации облучение рекомендуется начинать с энергии импульса
с эквивалентной величиной ЛПЭ, равной 1 МэВ-мг-1-см2, или с эквивалентной вели-
чиной энергии, равной 0,5 МэВ).
Увеличивая в каждом цикле облучения энергию импульса, регистрируют появле-
ние одиночного эффекта в испытываемой микросхеме.
Оценка чувствительности микросхемы к воздействию факторов 7.К с характери-
стиками 7.К9-7.К12 по результатам их испытаний на лазерном имитаторе со сфоку-
сированным излучением пикосекундной длительности осуществляется путем пере-
счета пороговой энергии лазерного излучения в эквивалентную величину пороговой
энергии или порогового значения ЛПЭ тяжелых заряженных частиц по методике,
приведенной в РД В 319.03.24.
Сечение эффекта микросхемы по результатам испытаний определяют как отно-
шение количества зарегистрированных эффектов к общему количеству импульсов
сфокусированного лазерного излучения случайным образом распределенных по всей
поверхности кристалла. Общее количество импульсов должно быть не менее 104, с
учетом «пропадания» части импульсов лазерного излучения, попадающих на оптиче-
ски непрозрачные области (слои металлизации).
Оценку показателей стойкости микросхем по результатам их испытаний на лазер-
ном имитаторе со сфокусированным излучением пикосекундной длительности осу-
ществляют путем пересчета полученных параметров чувствительности к фактору 7.К
с характеристиками 7.К9-7.К12 по методике, приведенной в РД В 319.03.24.
832
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РАЗДЕЛ 2
2.12.4.4. Испытания с использованием изотопного имитатора
В основу имитационных испытаний ЭКБ, прежде всего микросхем, на стойкость к
воздействию факторов 7.К с характеристиками 7.К9-7.К12 по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с
использованием излучений изотопных источников альфа-частиц и спонтанного деле-
ния на основе 252Cf положен физический характер изменений параметров-критериев
изделий, обусловленный локальными ионизационными эффектами (метод 1000-10
ОСТ 11 073.013, ч. 10). В данном случае локальные ионизационные эффекты в ЭКБ
считаются адекватными (эквивалентными) по признаку идентичности импульсных
реакций (откликов) - параметрических и / или функциональных сбоев и отказов, кон-
тролируемых по внешним выводам.
Для имитационных испытаний микросхем используют изотопные альфа-источни-
ки с энергией ~5 МэВ и источники на основе спонтанно делящегося изотопа 252Cf.
Испытательный комплекс должен обеспечивать воздействие альфа-излучения и
осколков деления на микросхемы, задание режима их работы, а также определение
параметров излучения изотопного источника, электрических параметров и контроль
функционирования микросхем во время и после воздействия.
Для имитационных испытаний микросхем на кремниевых структурах рекоменду-
ется использовать изотопные источники со следующими характеристиками:
• средняя энергия а-частиц должна быть около 5 МэВ, а осколков деления - по-
рядка 100 МэВ;
• плотность потока а-частиц и осколков деления должна составлять не менее
102 частиц-см”2-с”1;
• период полураспада используемых изотопных источников должен быть не ме-
нее полугода;
• площадь активного вещества изотопного источника должна быть не более 1 см2.
В качестве a-источников могут быть использованы изотопы: 238Pu, 241Ат, 210Ро и
им подобные. Из изотопных источников спонтанного деления на базе трансурановых
элементов предпочтительным является 252Cf, который испускает спектр осколков
спонтанного деления, а-частицы с энергией около 1 МэВ и тепловые нейтроны.
Средняя масса осколков деления легкой группы равна 106 а. е. м. со средней энергией
около 102 МэВ. Для осколков более тяжелой группы эти величины составляют около
142 а. е. м. и 79 МэВ соответственно.
Вакуумное оборудование испытательного комплекса должно обеспечивать уровень
разряжения не хуже 1 мм рт. ст. в течение периода испытаний (до 100 часов).
В качестве базовых изотопных имитаторов рекомендуется использовать имитато-
ры, приведенные в РД В 319.03.45.
Типовая структура экспериментального комплекса для изотопных имитационных
испытаний изделий представлена ранее на рис. 2.12.3. При использовании масок и
диафрагм для облучения отдельных элементов микросхем или отдельных кристаллов
на пластине эквивалентная толщина маски должна быть не менее 40 мкм алюминия.
Испытания микросхем на изотопных источниках проводят в два этапа: сначала на
изотопном источнике а-частиц, а в случае отсутствия эффекта - на изотопном источ-
нике спонтанного деления. В процессе облучения проводят непрерывный или перио-
дический контроль работоспособности микросхемы и определяют общее количество
одиночных эффектов (одиночных сбоев, защелкиваний и т. п.) и потока частиц.
ГЛАВА 2.12 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИОННЫХ...833
При необходимости испытания проводят при разных углах падения частиц или при
увеличении давления воздуха в вакуумной камере для снижения энергии частиц.
Оценки чувствительности микросхемы к воздействию факторов 7.К с характери-
стиками 7.К9-7.К12 по результатам их испытаний осуществляют путем пересчета
количества эффектов в зависимость сечения эффекта от энергии и ЛПЭ и определе-
ния по этим зависимостям сечения насыщения эффектов, пороговой энергии или по-
рогового значения ЛПЭ тяжелых заряженных частиц. Сечение эффекта микросхемы
по результатам испытаний определяют как отношение количества зарегистрирован-
ных эффектов к потоку частиц. Пороговые значения энергии и (или) ЛПЭ определя-
ют по результатам испытаний при изменениях угла падения частиц на кристалл или
при увеличении давления в камере по методике, приведенной в РД В 319.03.24.
Оценку показателей стойкости микросхем по результатам их испытаний на изо-
топных источниках осуществляют путем пересчета потока и полученных параметров
чувствительности к факторам 7.К с характеристиками 7.К9-7.К12 по методике, при-
веденной в РД В 319.03.24.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чумаков А.И. Методы и средства моделирования доминирующих радиационных эффектов в инте-
гральных схемах при воздействии высокоэнергетичных ядерных частиц. Диссертация на соискание
ученой степени доктора технических наук. М.: МИФИ, 1998.
2. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты в КМОП ИС. М.: Радио и связь,
1994, 164 с.
3. Артамонов А.С., Герасимов В.Ф., Никифоров А.Ю. Система комплексного имитационного моделиро-
вания полупроводниковых приборов и интегральных схем - СКИМ. Электронная промышленность,
1996, №2, с. 16-19.
4. Никифоров А.Ю., Чумаков А.И., Калашников О.А. Система имитационного моделирования радиаци-
онных отказов интегральных схем. В кн.: Тезисы XVII Междунар. симпоз. по ядерной электронике,
Варна, 15-21 септ. 1997 г. Дубна: ОИЯИ, 1998, с. 69-74.
5. Ахабаев Б.А., Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. Лазерные ионизационные методы измерения па-
раметров полупроводниковых структур для контроля качества технологических операций при произ-
водстве интегральных микросхем. В кн.: Лазерная технология в приборостроении: тез. докл. Всесоюз.
научно-техн, сем., Рига, 26-29 ноября 1985 г. М., 1985, с. 139-140.
6. Аствацатурьян Е.Р., Герасимов В.Ф., Никифоров А.Ю. Имитационное экспериментальное моделиро-
вание для оценки и прогнозирования радиационной стойкости ИМС. В кн.: Проблемы создания ППП,
ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ. Тез. докл. V мсжотрасл. сем., Петрозаводск, 9-14 сентября
1991 г.,ч. 2. М., 1991, с. 40.
7. Аствацатурьян Е.Р., Громов Д.В., Никифоров А.Ю. и др. Имитационное и экспериментальное модели-
рование для оценки и прогнозирования радиационной стойкости ИЭТ. Вестник АДС «Радтех-СССР»,
1991, №2, с. 44-47.
8. Никифоров А.Ю. Прогнозирование, диагностирование и обеспечение стойкости КМДП ИС к воздей-
ствию импульсного ионизирующего излучения, дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. М.: МИФИ, 1992.
9. Ахабаев Б.А., Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К., Сыцько Ю.И. Адекватность лазерных методов конт-
роля ионизационной реакции ИС. В кн.: Лазеры в науке, технике, медицине: тез. докл. VII междунар.
научно-техн, конф., 24-26 сентября 1996 г., Сергиев Посад. М., 1996, с. 100-102.
10. Телец В.А., Никифоров А.Ю., Чумаков А.И. и др. Аспекты внедрения имитационных методов радиа-
ционных испытаний при проектировании и производстве изделий микроэлектроники. В сб.: Вопросы
атомной науки и техники, сер. Физика радиационного воздействия на РЭА, 1996, вып. 1-3, с. 6-9.
11. Артамонов А.С., Герасимов В.Ф., Никифоров А.Ю. и др. Система комплексного имитационного моде-
лирования полупроводниковых приборов и интегральных схем - СКИМ. Электронная промышлен-
ность, 1996, № 2, с. 16-19.
12. Скоробогатов П.К., Никифоров А.Ю., Критенко М.И., Демидов А.А. Повышение адекватности лазер-
ного имитационного моделирования объемных ионизационных эффектов в ИС. В сб.: Радиационная
стойкость электронных систем «Стойкость-98». М.: СПЭЛС-НИИП, 1998, вып. 1, с. 97-98.
3
ВОЗДЕЙСТВИЕ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
ГЛАВА 3.1
ВЛИЯНИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
НА ОЗОНОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ И НЕЙТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ
ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ
Адушкин В.В.1, Козлов С.И.1; Клюшников В.Ю.2;
1 Институт динамики геосфер РАН
2 4 ЦНИИ Минобороны России
Смирнова Н.В.1
Список сокращений
АГВ акустико-гравитационные волны мгд магнитогидродинамические (волны)
АЭ активный эксперимент ОКП околоземное космическое пространство
ВВ взрывчатое вещество ПС продукты сгорания
ДУ двигательная установка РБ разгонный блок
ИК инфракрасный РКТ ракетно-космическая техника
КА космический аппарат PH ракета-носитель
ВВЕДЕНИЕ
Ракетно-космическая техника (РКТ) воздействует на околоземное космическое
пространство (ОКП) различным образом [1] в зависимости от высоты h, типа ком-
понентов ракетного топлива и многих других факторов. В данной главе основное
внимание уделено рассмотрению влияния РКТ на озоносферу (15 < h < 30 км), ио-
носферу (60-70 < h < 350-400 км) и нейтральный состав верхней атмосферы
(h > 100 км). Представленные материалы базируются главным образом на обзорных
и обобщающих исследованиях [1-8] с привлечением некоторых более частных ра-
бот, имеющих приоритетный и принципиальный характер.
ГЛАВА 3.1 ВЛИЯНИЕ PKT НА ОЗОНОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ И НЕЙТРАЛЬНЫЙ...835
При анализе воздействия РКТ на ОКП необходимо учитывать многообразие ха-
рактеристик околоземной среды и протекающих в ней процессов, а также многочис-
ленные взаимные связи как между различными составляющими этой среды, так и
между наблюдаемыми явлениями. Например, поведение электронной концентрации в
ионосфере во многом определяется температурой и плотностью нейтральной атмосфе-
ры, ее составом, температурами электронов и ионов ионосферной плазмы и т. д.
Основную роль в разрушении озона при пусках ракет играют газообразные и аэ-
розольные продукты сгорания (ПС) ракетного топлива. Среди газообразных ПС наи-
большей озоноразрушающей активностью обладают NO^, НС1, а также ОН, Н, О, N.
Из аэрозольных ПС потенциальным источником разрушения озона могут являться
мелкодисперсные частицы А120з, входящие в состав твердых ракетных топлив. Од-
нако, как показывают результаты проведенных исследований, пуски ракет оказывают
локальное и сравнительно кратковременное воздействие на стратосферный озон.
ПС ракетного топлива влияют на состояние ионосферы, в частности на электрон-
ную концентрацию Ne. Вследствие турбулентной диффузии ПС и протекания реак-
ций ПС с ионными компонентами ионосферы наблюдается снижение Ne. Кроме того,
возникающие при полете ракеты акустико-гравитационные (АГВ) и магнитогидро-
динамические (МГД) волны способны приводить к волнообразным вариациям Nc.
Наконец, запуск ракеты или работа двигательных установок (ДУ) космического объ-
екта способны стимулировать высыпание энергичных электронов в атмосферу Земли
либо некоторые суббуревые проявления. Эти явления носят триггерный характер и
наблюдаются в авроральной области ионосферы при пусках ракет из приполярных
областей.
В результате мощного залпового выброса ПС на больших высотах доля нейтраль-
ных компонентов верхней атмосферы (Н2О, Н, СО, СО2, С1 и т. п.) может существен-
но превысить их фоновое содержание. При перемешивании ПС с компонентами
верхней атмосферы возможно возникновение достаточно устойчивых во времени
крупномасштабных областей с измененным относительным составом. На степень
антропогенного загрязнения верхней атмосферы при пусках ракет большое влияние,
видимо, оказывают гелиогеофизические условия, в частности уровень солнечной ак-
тивности. К сожалению, геоэкологические последствия этого явления изучены не-
достаточно.
Отдельно следует рассматривать воздействие на озоносферу, ионосферу и ней-
тральный состав верхней атмосферы аварий (взрывов) РКТ. К сожалению, влияние на
околоземную среду взрывов ракет, ракет-носителей (PH), космических аппаратов
(КА), разгонных блоков (РБ) и т. д. в силу ряда объективных причин изучено недос-
таточно. Необходимо заметить, что состав продуктов взрыва компонентов ракетного
топлива (в основном СО2, СО, С, Н2О, Н2, О2, N2) близок к составу ПС, хотя относи-
тельное содержание указанных компонентов в ПС может быть и другим. По этой
причине качественно воздействие аварийных взрывов РКТ на околоземную среду
подобно воздействию в процессе штатных запусков, однако временные и простран-
ственные характеристики последствий такого воздействия, конечно, будут отличать-
ся. Большое значение для изучения влияния взрывов РКТ на верхнюю атмосферу и
ионосферу имели проводившиеся в России и за рубежом активные эксперименты
(АЭ) по локальным возмущениям атмосферы на больших высотах.
836
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
3.1.1. Воздействие ракетно-космической техники на озоносферу
3.1.1.1. Механизмы
Существует несколько механизмов воздействия запусков PH на озон, имеющих
существенно различную природу. Один из них связан с разогревом воздуха в факеле
ракетного двигателя и в образующейся при полете PH головной ударной волне. Учи-
тывая небольшой потенциал диссоциации О3 (~1 эВ), можно ожидать заметного его
разрушения.
Однако основное воздействие на озон при запусках PH оказывают озоноактивные
компоненты в струе ПС жидких и твердых ракетных топлив. Ракеты выбрасывают
значительно меньшее количество этих компонентов по сравнению с известными на-
земными источниками загрязнений, например, выбросами промышленных предпри-
ятий. Главное отличие заключается в том, что ПС PH поступают непосредственно в
стратосферу без трансформации и вымывания в тропосфере. Влияние на стратосфер-
ный озон ПС жидких ракетных топлив определяется содержащейся в них окисью
азота и сравнительно малыми количествами других озоноактивных компонентов -
окиси углерода, свободных радикалов и атомов (ОН, Н, О, N). В ПС твердых ракет-
ных топлив содержится по массе до 20% хлора и его соединений и до 30% аэрозоля
окиси алюминия [1]. Часть из выбрасываемых газов ведет к разрушению озона (окис-
лы азота NOX, хлорные соединения), а некоторые могут сдерживать его разрушение
(водяной пар, двуокись углерода, метан) за счет превращения разрушающих агентов
в неактивную фракцию. При этом последние, содержащиеся в ПС как жидких, так и
твердых топлив, будучи радиационно активными, могут влиять на тепловой режим
атмосферы, что, в свою очередь, безусловно скажется на общем содержании О3.
В факеле ракетного двигателя и возникающем при полете ракеты в стратосфере
головном скачке уплотнения, как упоминалось выше, воздух существенно разогрет.
Можно ожидать заметного термического разрушения О3. Кроме этого, в факеле ракеты
достаточно велики концентрации компонентов ПС топлива, влияющих на озон.
3.1.1.2. Моделирование
Поле течения вокруг ракеты, летящей с гиперзвуковой скоростью, и структура
самой реактивной струи (факела) весьма сложны. В разных приближениях они ис-
следовались во многих работах. На высотах озоносферы широкое использование по-
лучила континуальная модель течения для недорасширенных струй, результаты рас-
четов по которой неплохо согласуются с лабораторными экспериментальными дан-
ными. Тем не менее корректная оценка влияния на озон факела и головной ударной
волны - весьма трудоемкая работа, требующая детального знания распределения
температуры и плотности воздуха, а также концентраций ПС по всей возмущенной
области пространства.
В [9] предложен приближенный метод оценки разрушения О3 в этих условиях, в
основу которого положены два основных допущения:
• озон практически полностью разрушается везде за фронтом головного скачка
уплотнения и в факеле ракетного двигателя;
• форму возмущенной области пространства вокруг движущейся ракеты, вклю-
чая скачок уплотнения и факел, можно аппроксимировать эллипсоидом.
ГЛАВА 3.1 ВЛИЯНИЕ РКТ НА ОЗОНОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ И НЕЙТРАЛЬНЫЙ...
837
Таким образом, нахождение общего количества О3, разрушенного в факеле раке-
ты и головной ударной волне, сводится практически к оценке объема эллипсоида.
Результаты расчетов по этой методике показывают, что суммарное количество
разрушенного озона в интервале высот 20-30 км при пролете PH «Протон» состав-
ляет 1,95 кг, a «Space Shuttle» - 9,51 кг. Главный вывод - разрушение озона в головной
ударной волне и факеле двигателей незначительно, если учесть, что в вертикальном
столбе атмосферы площадью 1 км2 на h = 20-30 км содержится —800 кг О3.
Оценки воздействия ПС ракетных топлив на стратосферный озон возможны в на-
стоящее время только на теоретических моделях [1, 2, 7]. Выбрасываемые в атмо-
сферу газообразные ПС из-за отсутствия в стратосфере эффективного перемеши-
вания могут оставаться в ней в течение длительного времени и, благодаря воздуш-
ным течениям (атмосферным ветрам), оказывать воздействие на озон в районах, да-
леко отстоящих от места ракетных пусков.
Для моделирования влияния ракетных выбросов на озон, которое может быть как
локальным, так и глобальным, используются различные модели, оптимальным обра-
зом описывающие протекание процессов на отдельных стадиях:
• от нескольких минут до нескольких часов (локальное воздействие);
• от нескольких суток до нескольких недель (региональное воздействие);
• от одного до нескольких месяцев (зональное воздействие в пределах ограни-
ченного широтного пояса);
• от нескольких месяцев до нескольких лет (глобальное воздействие) [10].
Практически во всех моделях, независимо от их предназначения, учитываются с
разной полнотой следующие каталитические циклы разрушения озона.
При выбросах NOX за счет циклов:
a) NO + О3 -> NO2 + О2 б) NO + О3 —> NO2 + О2
NO2 + О(3Р) -> NO + О2 NO2 + Оз -> NO3 + О2
О(3Р) + О3 -> 2О2 NO3 + /?v NO + О2
2О3 -> ЗО2
происходит интенсивное разрушение озона в области высот -18-37 км.
Следует учитывать и другие вторичные циклы:
в) NO + О3 -> NO2 + О2
NO2 + hv -> NO + О
О + О2 + М —>О3 + М
Итог: нуль
г) NO + О3 -> NO2 + О2
NO2 + О3 —> NO3 + О2
NO3 + NO2 + М -> N2O5 + М
N2O5 + hv —> NO3 + NO2
NO3 + hv —> NO + O2
2O3 -> 3O2
Один из вторичных циклов (в) не влияет на озон, а второй (г) приводит к разруше-
нию О3 лишь в случае, когда фотолиз NO3 дает NO + О2.
При выбросах Н2О и Н2 за счет реакций:
Н2О + O('D) -> он + он
Н2 + O('D) -> он + н
838
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
и каталитических циклов:
а) ОН + О3 - »НО2 + О2 б) ОН + Оз - > но2 + 02 в) ОН + Оз -= ► но2 + 02
НО2 + О3 - > ОН + 2О2 НО2 + НО2 - -> Н2О2 + О2 НО2 + О(3Р) -> он + 02
2О3 - ->ЗО2 Н2О2 + hv - он + он Оз + hv —> О(3Р) + 02
2О3 -> ЗО2
2О3 -> ЗО2
наиболее эффективно озон разрушается в тропосфере (h < 10-14 км) и верхней стра-
тосфере (Л > 35 км).
При выбросах НС1, дающих С1 в реакциях:
НС1 + hv -> Н + С1
НС1 + О(3Р)-> ОН + С1
НС1 + ОН —> Н2О + С1
и при значительных выбросах NOX существенно уменьшается содержание озона под
действием таких каталитических циклов, как:
а) С1 + О3 -> СЮ + О - СЮ + О2 -> С1 + О2 б) С1 + Оз -> СЮ + О2 СЮ + NO -> Cl +NO2
О + Оз —> 2О2 NO2 + О(3Р) NO + О2 Оз + hv -> О(3Р) + О2
2О3 -> ЗО2
в) С1 + Оз -> ОН + Оз -н СЮ + НО2 - НОС1 + hv СЮ + О2 ► НО2 + О2 > НОС1 + О2 - > ОН + С1 г) С1 + Оз -> СЮ + О2 C1O + NO2->C1ONO2 C1ONO2 + Av-> Cl + NO3 NO3 + hv —> NO + O2
20з- »ЗО2 NO + O3 NO2 + O2
2О3 -> ЗО2
Последние циклы иллюстрируют важность учета взаимодействия между выбрасы-
ваемыми компонентами ПС и в целом сложность механизмов воздействия на озон.
Для оценки локального воздействия пусков отдельных ракет на стратосферный
озон используют одномерные диффузионно-фотохимические и «ящичные» (боксо-
вые) фотохимические модели [10-12].
3.1.1.3. Результаты оценок
В качестве иллюстрации локального воздействия ПС на озон на рис. 3.1.1 показа-
но изменение во времени радиуса круговой зоны с концентрацией О3 менее 90% от
фонового значения при пусках ракет «Энергия» и «Space Shuttle», рассчитанное для
разных высот.
Как можно видеть, эффект воздействия ПС увеличивается с высотой особенно
сильно для твердотопливной ракеты «Space Shuttle». Размер зоны на разных высотах
сложным образом зависит от интенсивности турбулентного перемешивания и скоро-
ГЛАВА 3.1
ВЛИЯНИЕ PKT НА ОЗОНОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ И НЕЙТРАЛЬНЫЙ...
839
Время с момента старта, с Время с момента старта, с
а б
Рис. 3.1.1. Зависимость от высоты и времени радиуса зоны с концентрацией озона менее
90% от фоновой для ракеты «Энергия» (а) и для ракеты «Space Shuttle» (б) на высотах:
1 - 35 км; 2-30 км; 3-25 км; 4 - 20 км
сти разрушения озона, определяемой составом ПС, скоростью реакций и составом
фоновой (невозмущенной) атмосферы.
Характерной чертой регионального и зонального воздействия является тот факт,
что многие ПС ракетных топлив имеют большие времена жизни, поэтому их дейст-
вие будет продолжаться по мере дальнейшего перемешивания и переноса воздушны-
ми потоками. Ракетный след на стратосферных высотах примерно через неделю пре-
вращается в облако размером несколько сотен километров, которое под действием
зональных ветров смещается (в зависимости от сезона) в западном или восточном
направлении, незначительно отклоняясь от первоначальной широты. В периоды ве-
сенней и осенней перестройки стратосферной циркуляции, когда ветер в стратосфере
слабый, облако ПС может оставаться практически неподвижным и относительно
компактным, расширяясь только за счет макротурбулентного перемешивания [10].
Для расчета изменения концентраций компонентов в облаке ПС можно использо-
вать одномерную фотохимическую модель, которая в этом случае должна:
• включать большее количество газовых составляющих атмосферы, чем требует-
ся для исследования локальных эффектов;
• учитывать изменение температуры стратосферы и тропосферы в связи с изме-
нением их состава под влиянием выбросов ракет;
• учитывать вертикальное перемешивание в облаке.
Региональное воздействие ракеты «Space Shuttle», рассчитанное в [10] для декаб-
ря и широты пуска 30° с. ш., выглядит следующим образом. Максимальное разруше-
ние озона в области диаметром 550 км происходит на высотах 24-30 км через -24
дня после пуска и составляет -5% для одиночного запуска и ~16,5% - при одно-
временном запуске 12 ракет. Одновременно в тропосфере происходит небольшое
увеличение озона, составляющее -2,5% при одиночном пуске и -7,5% - при пуске
12 ракет. Если не учитывать сдвиг ветра по высоте, то рассчитанное падение общего
содержания озона в вертикальном столбе диаметром 550 км составит через 24 дня
при одиночном пуске -2%, а при пуске 12 ракет —8%.
840
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Под действием ветра, зональной и ме-
ридиональной циркуляции, крупномасштаб-
ных и мезомасштабных вихрей ПС ракет-
ных топлив будут распространяться на всю
атмосферу. Глобальный эффект воздействия
пусков PH на озоновый слой можно иссле-
довать с помощью двумерных радиационно-
фотохимических моделей, учитывающих
пространственно-временную неоднородность
динамических, фотохимических и термиче-
ских процессов. При этом обычно учитыва-
ются обратные радиационные и другие по-
ложительные и отрицательные обратные
связи. При моделировании регулярных пус-
ков PH на атмосферный озон, учитывая ма-
лость их влияния по сравнению с другими
антропогенными воздействиями, часто ис-
пользуют упрощенные модели, пренебрегая
теми или иными факторами. Двумерные
модели рассчитывают глобальное измене-
ние озоносферы при пусках ракет, поэтому
наряду с анализом влияния одиночных пус-
ков можно рассматривать различные сцена-
рии пусков PH. Эти модели позволяют рас-
считать глобальные изменения достаточно
большого количества малых газовых состав-
ляющих, как короткоживущих, так и долго-
живущих, а также учитывать гетерогенные
реакции на природных и антропогенных
аэрозолях. Двумерная радиационно-фотохи-
мическая модель атмосферы [10] основана на
традиционной /f-теории турбулентного пе-
ремешивания и турбулентного теплообме-
на. На рис. 3.1.2 представлены результаты
расчета возможных вариаций О3 в глобаль-
ном масштабе вследствие 9-ти пусков раке-
ты «Space Shuttle» и 3-х пусков ракеты «Ti-
tan IV» в год.
Многочисленные исследования влияния
газообразных ПС ракетных топлив на стра-
тосферный озон показывают, что:
• для обоснованных оценок степени раз-
рушения озона при запусках ракет не-
обходимы надежные данные о составе
и количестве выбрасываемых компо-
Рис. 3.1.2. Изменение полного содержания
озона (%) по месяцам, рассчитанное
с учетом только газофазных процессов (а),
с включением гетерогенных процессов на
сульфатных аэрозолях (б) и на полярных
стратосферных облаках (в)
ГЛАВА 3.1 ВЛИЯНИЕ PKT НА ОЗОНОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ И НЕЙТРАЛЬНЫЙ...841
нентов, основанные на расчетах неравновесного течения в сопле, догорания
струи ПС топлив с учетом перемешивания и неравновесного химического
взаимодействия их с воздухом;
• твердотопливные ракеты за счет наличия в ПС соединений хлора оказывают
более сильное влияние на озоносферу, чем жидкостные ракеты;
• пуски отдельных ракет, даже таких мощных, как «Энергия» и «Space Shuttle»,
оказывают лишь локальное и сравнительно кратковременное воздействие на
стратосферный озон;
• глобальное влияние пусков РКТ на озоновый слой Земли при современной их
интенсивности весьма мало.
Хотя основную роль в разрушении озона при запусках PH играют газообразные
ПС, потенциальным источником разрушающего воздействия на О3 могут являться мел-
кие частицы А12О3, содержание которых в выбросах твердотопливных ракет достигает
-30% по весу. Эти частицы остаются в атмосфере в течение нескольких дней и, благо-
даря своей гидрофильности, служат центрами конденсации паров воды. Несмотря на
то, что оценка вклада выбрасываемых частиц А12О3 в общее падение озона при за-
пусках твердотопливных ракет проводилась неоднократно, вопрос далек от своего
решения. Это обусловлено сложностью проблемы в целом, многообразием возмож-
ных механизмов воздействия этих частиц на озон и отсутствием данных о константах
скоростей некоторых важных гетерогенных процессов. Можно лишь констатировать,
что возможное влияние твердотопливных PH на О3 с учетом аэрозольных частиц мо-
жет быть несколько большим по сравнению с сугубо газообразными ПС [1].
3.1.2. Воздействие ракетно-космической техники на ионосферу
3.1.2.1. Механизмы
Каналы воздействия стартующих PH и изделий РКТ на верхнюю атмосферу и
ионосферу чрезвычайно разнообразны. Основные из них можно представить в виде
нескольких тесно связанных между собой групп, каждая из которых связана, в
свою очередь, с определенным кругом физических (физико-химических) процессов
и явлений:
• химическая модификация верхней атмосферы и ионосферы;
• загрязнение верхней атмосферы облаками аэрозоля, мелкодисперсных облом-
ков и конденсата;
• волновая модификация нейтральной и заряженной компонент плазмы верхней
атмосферы;
• стимулирование крупномасштабных процессов и суббуревых явлений («триг-
герные эффекты»);
• оптические явления, сопровождающие запуск и функционирование на орбитах
изделий РКТ.
Многообразие каналов воздействия изделий РКТ на окружающую среду приводит
к соответствующему многообразию средств и систем диагностики, способных заре-
гистрировать модификацию параметров окружающей среды. Необходимо отметить,
842
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
что воздействие РКТ на ионосферу (D-, £-,
F-области) наиболее хорошо изучено как с
экспериментальных, так и с теоретических
позиций [1, 3, 5, 6, 8, 13-21].
Главное влияние на поведение ионосфе-
ры, в частности на вариации электронной
концентрации Ne, оказывают ПС ракетных
двигателей. Независимо от высоты h и типа
PH (жидкостные, твердотопливные), проис-
ходит понижение Ne (образование так назы-
ваемых «ионосферных дыр»). Эффект, ко-
нечно, зависит от количества и состава вы-
брошенных ПС, h и расстояния г от места
выброса (времени t после полета PH).
В качестве примера на рис. 3.1.3 пред-
ставлены экспериментальные данные о по-
ведении Ne во всей толще ионосферы, полу-
ченные методом трансионосферного зонди-
рования (ТИЗ) при запусках различных
объектов, на котором стрелками показан
момент запуска. Активный участок полета
всех этих PH был большим, и к моменту
выключения двигателей высота траектории
составляла 442 км для «Skylab», 498 км для
НЕАО-С и 434 км для NOAA-C. Данные о
пунктах регистрации сигналов спутников
(ATS-1,3,5), времени появления дыры Тн,
времени максимального падения интеграль-
ной электронной концентрации Тм, величи-
ны изменения интегральной электронной
концентрации ANcT, минимальное расстоя-
ние от траектории движения PH до радио-
трассы Rm суммированы в табл. 3.1.1.
Характерной чертой данных, представ-
ленных на рис. 3.1.3, является разновре-
менность начала падения концентрации
электронов Nei различная длительность су-
ществования и глубина дыры. Это опреде-
ляется значениями Rm, различным подлет-
ным временем ракеты до точки, в которой
расстояние до радиотрассы минимально,
средней скоростью Ипс движения облака ПС,
выброшенных из ДУ PH, и зависимостью
коэффициента диффузии от высоты.
Рис. 3.1.3. Изменение интегральной
электронной концентрации NcT после
запуска станции «Skylab» (а-е) и
спутников НЕАО-С (ж-з), NOAA-C (и)
ГЛАВА 3.1 ВЛИЯНИЕ РКТ НА ОЗОНОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ И НЕЙТРАЛЬНЫЙ...843
3.1.2.2. Моделирование и оценка результатов
Теоретические модели ионосферных дыр разной степени сложности и детализа-
ции для различных диапазонов h разрабатывались неоднократно [1,6, 14, 15, 17, 18].
Учитывались большое количество фотохимических процессов, электромагнитное и
корпускулярное излучения Солнца, а также специфические особенности динамиче-
ских процессов, протекающих на тех или иных h.
В нижней ионосфере (й < 90 км) пространственно-временные распределения вы-
брасываемых компонентов ПС находятся, как правило, в предположении, что они
определяются только турбулентной диффузией, а источник выброса является точеч-
ным и мгновенным. Ионный состав на этих высотах, определяющий поведение Ne,
весьма сложен и включает различные отрицательные и положительные ионы. Боль-
шую роль в преобразованиях ионов играют малые нейтральные и возбужденные со-
ставляющие атмосферы - О(3Р), O(1D), О3, NO, С^ДД Н2О и др. ПС ракетных топ-
лив влияют на состав ионов как непосредственно - в результате протекания прямых
реакций с ними, так и опосредованно - через вариации малых нейтральных составля-
ющих среды. Все это требует включения в фотохимические блоки моделей значи-
тельного количества ионно-нейтральных и нейтрал-нейтральных реакций. Так, в од-
Таблица 3.1.1
Пункты регистрации сигналов спутников и экспериментальные данные
об ионосферных дырах, полученные при запусках «Skylab», НЕАО-С, NOOA-C
Станция ТИЗ Координаты луча на уровне h = 420 км, град. Rm, км Тн, UT Тд/, UT ^т, 1012 эл-см"2
Название Координаты,град.
с. ш. 3. д. с. ш. з. д.
Запуск орбитальн ой станции I «Skylabx
Urbana, Illinois 40,1 88,2 36,5 85,8 1010 17:52 18:27-18:44 -1,3
London, Ontario 43,0 81,3 39,0 79,6 725 - 18:31-18:44 -
Sagamore Hill, 42,6 70,8 38,7 70,6 184 17:39.30 18:00-18:10 -7,5
Massachusetts 38,4 75,9 469 17:41 18:24-18:32 -6,3
Goose Bay, Labrador 53,3 60,3 47,5 2,2 999 17:43.30 -18:18 -4,6
Narssarsuaq, Greenland 61,2 45,3 53,1 52,2 1956 17:45 ±3 18:13-18:40 -1,9
Запуск спутника НЕАО-С
Bermuda 32,3 64,8 - - 49 221 -05:33 -05:33 -06:23 -06:09° -21,4 -10,9
Запуск спутника NOAA-C
Edwards 35.0 И7,8 I 10:56.40 I -11:00.30 1 -16,9
° Взято время перехода к более медленной скорости падения электронной концентрации.
844
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
ной из моделей, подробно описанной в [1], учитываются 140 фотохимических про-
цессов для 10 видов заряженных частиц - О2+, NO+, Св/, Св2+, О2“, СО3“, NO2“, NO3“,
СГ, е, - и 18 малых нейтральных составляющих - О(3Р), O(*D), O2(!Ag), О3, Н, ОН,
НО2, Н2, Н2О, Н2О2, N(4S), no, n2o, no2, Cl, HC1, CIO, HOC1.
Ha h > 90-100 км в обычной ионосфере присутствуют только положительные ио-
ны - О2+, N2+, NO+, О+. Поэтому разработка фотохимической части моделей заметно
упрощается [21]. Однако несколько усложняется расчет пространственно-временных
распределений ПС. Считается, что они определяются молекулярной диффузией в
(М/Мок
1,0 -
(W™
а
1,0 -
Рис. 3.1.4. Поведение (Nc/Neo)»t в зависимости от высоты h: зима (слева), лето (справа);
1 - Fio,7 = 120; 2 - Fio,7 = 250; сплошные кривые - день, штриховые - ночь.
а, б - экваториальные широты (п. Куру); в, г - средние широты (п. Байконур);
д, е - субавроральные широты (п. Плесецк)
ГЛАВА 3.1 ВЛИЯНИЕ РКТ НА ОЗОНОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ И НЕЙТРАЛЬНЫЙ...845
многокомпонентной смеси газов, сами коэффициенты диффузии зависят от темпе-
ратуры и плотности атмосферы, а также от вида инжектируемого газа. Источник
выброса ПС предполагается цилиндрически-симметричным с поправкой на неодно-
родность атмосферы. Протяженность области выброса определяется скоростью и
временем полета PH или РБ. Расчеты проводятся для расстояний, превышающих
некоторый начальный радиус, который находится из равенства концентраций ПС и
фоновой атмосферы.
Особо обратим внимание на необходимость согласования («замыкания»), незави-
симо от Л, всех дифференциальных уравнений непрерывности, включенных в ту или
иную модель, на нсвозмущенные естественные условия. Различные способы такого
согласования детально анализируются в [1].
В целом можно констатировать неплохое согласие между результатами расчетов
и экспериментальными данными. Отметим, что с помощью такого рода моделей
возможен выбор наиболее оптимальных гелиогеофизических условий (время суток,
солнечная активность, спокойная или возмущенная среда) для запусков PH с раз-
личных космодромов (геомагнитная широта) с целью уменьшения вариаций Nc [21]
(см. рис. 3.1.4, на котором (Ne/Neo)m - минимальные значения электронной концент-
рации относительно фона Ncq).
Акустико-гравитационные и магнитогидродинамические волны
АГВ и МГД-волны, возникающие при запусках PH, приводят, главным образом, к
волнообразным вариациям Ne. С определенных высот h возможна трансформация
АГВ в МГД-волны. Оба типа волн, источники их возникновения, распространение
через верхние геосферы, влияние на различные слои ионосферы (включая, помимо
всего, озоносферу и магнитосферу) в научной литературе исследовались многократ-
но. Среди множества ионосферных эффектов, зарегистрированных прежде всего ра-
диотехническими методами измерений [1,13,19], выделим только один - практиче-
ски «мгновенное» понижение критической частоты fQF2 на расстояниях ~2 ООО км от
места запусков PH [22] (рис. 3.1.5).
С физической точки зрения эффект изучен недостаточно. Наиболее вероятным
механизмом его возникновения является
возбуждение МГД-волн движущимся факе-
лом PH в магнитном поле Земли с самого
момента старта. Было обнаружено, что эф-
фект весьма чувствителен ко времени су-
ток: из более чем 200 наблюдений за запус-
ками PH он имел место только в 22 случаях
и только в дневных условиях, наиболее
отчетливо проявляясь во время восхода
Солнца (см. рис. 3.1.5).
Волнообразные колебания Nc возникают
и надежно регистрируются, главным обра-
зом, на h > 130-140 км (F-область) и про-
должаются достаточно большое время, что
Рис. 3.1.5. Вариации f^Fl на первых
минутах после старта по данным [22]
846
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Рис. 3.1.6. «Поджатие» нижней части области Ей волновые
возмущения в ионосфере после запуска КА «Apollo-14»
(ионограммы получены на расстоянии ~1 440 км от космодрома)
хорошо видно на рис. 3.1.6. При пересечении PH области Е ионосферы часто наблю-
даются спорадические образования Es из-за стратификации возмущенной среды и
формирования мелкомасштабных неоднородностей Ne.
«Триггерный» эффект
Под «триггерным» эффектом, как правило, понимается стимулированное запус-
ком PH или работой ДУ РБ высыпание энергичных электронов в атмосферу Земли
либо какие-то суббуревые проявления, особенно при пролете PH, стартующих, на-
пример, с п. Плесецк [1,16], через авроральную ионосферу. К сожалению, прямые
экспериментальные данные, свидетельствующие о таком эффекте, отсутствуют. Од-
нако имеются косвенные указания о локальных высыпаниях электронов [16]. Тео-
ретические исследования «триггерного» эффекта по сравнению с эксперименталь-
ными являются более развитыми [1]. Показано, что выброс ПС ДУ PH и/или РБ на
h « 120-170 км вызывает генерацию импульсов альвеновских волн, взаимодействие
которых с окружающей средой приводит к пульсирующему высыпанию электронов
с энергией ~1-3 кэВ, а также к модуляции высыпания электронов с энергией
-40-50 кэВ. Этот процесс носит самоподдерживающийся характер и развивается на
значительных пространственных масштабах (до -240 км вдоль траектории полета PH
и до -600 км - для РБ). Детально исследованы процессы распространения альвенов-
ских волн и электронов различной энергии через неоднородную атмосферу (включая
магнитное поле) и их взаимодействие с окружающей средой.
Учитывая значительные пространственные масштабы области вдоль траектории
полета PH (РБ), в которой генерируется триггерный процесс, а также большую про-
должительность самоподдерживающегося «триггерного» роста потока авроральных
электронов, достигающую -3-5 часов в оптимальных для развития этого процесса
геофизических условиях, можно говорить о возможности генерации крупномасштаб-
ных суббуревых возмущений, наиболее вероятных при запусках PH с п. Плесецк.
ГЛАВА 3.1 ВЛИЯНИЕ РКТ НА ОЗОНОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ И НЕЙТРАЛЬНЫЙ...847
3.1.3. Влияние ракетно-космической техники на нейтральный состав верхней
атмосферы
З.1.З.1. Механизмы
В состав ПС ДУ PH и РБ входят газы, обладающие определенной химической ак-
тивностью и являющиеся составляющими естественной верхней атмосферы. Один из
присутствующих в составе ПС газов - N2 - является основным компонентом в ниж-
ней термосфере (h « 100-200 км), другие газы из состава ПС относятся к ее малым
составляющим. При перемешивании ПС с компонентами окружающей среды воз-
можно возникновение достаточно устойчивых во времени крупномасштабных облас-
тей с измененным относительным составом.
В конечном счете основная проблема - влияние таких ПС, как Н2О, Н, СО, СО2,
С1 ит. п. [1], на термодинамические характеристики верхней атмосферы с после-
дующей передачей возмущений в более низкие слои атмосферы благодаря заметным
изменениям в протекании диффузионных процессов и вариациям электромагнитного
и корпускулярного излучений Солнца. Как правило, исследования разбиваются на
две стадии: начальный этап разлета ПС и диффузионная стадия распространения ПС
в верхней атмосфере. В табл. 3.1.2 представлены оценки теплового эффекта выброса
ПС одной из PH.
Таблица 3.1.2
Оценки теплового эффекта выброса ПС РИ «Ангара»
Параметры Высота, км
100 120 150 170 190
Татм, К 205 377 706 834 917
X, см2-с-1 1,0-106 3,0-107 4,0-108 1,0-109 4,0-109
^тепл, С 2,0-105 2,0-104 7,0-103 4,0-103 2,0-103
Т^тепл, КМ 7,03 15,6 15,8 21,1 26,3
Т/атм, КМ 6,0 11,0 24,0 30,0 40,0
Обозначения в таблице: Гатм - температура естественной среды; % - коэффици-
ент температуропроводимости верхней атмосферы; ттеш1 - характерное время ре-
лаксации температурных неоднородностей; Ятепл - характерный масштаб области
атмосферы относительно движения PH с запасом тепловой энергии, равной кине-
тической энергии ПС; Яатм - характерный масштаб атмосферы (более подробно о
расчетах см. [1]).
Из анализа табл. 3.1.2 видно, что масштабы теплового возмущения среды с увели-
чением Татм до ~2 раз на h > 150 км значительно меньше Яатм. Следовательно, релак-
сация Т к Гатм будет протекать на временах, существенно меньших ттеПл- Однако для
~ 100-120 км, где 7?Тепл > можно говорить о заметном тепловом воздействии
PH на окружающую среду.
848
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Рис. 3.1.7. Высотные распределения доли антропогенного водорода в центре облака (а)
и горизонтальные распределения относительного превышения антропогенного водорода над
фоновым (б) через двое (1), пять (2) и десять (3) суток; 4 - серия пусков с интервалом 5 суток
3.1.3.2. Моделирование и результаты анализа
В [23] разработана трехмерная модель крупномасштабного и глобального рас-
пределения газов, образующихся в верхней атмосфере в результате работы ДУ PH и
РБ. Рис. 3.1.7 иллюстрирует пространственно-временные масштабы поведения ПС, в
частности водорода Н, в относительных единицах (и-й)/й, где п - фоновая кон-
центрация Н. Несмотря на то, что значения на h > 100 км известны с точностью до
1-2 порядков величины и сильно зависят от гелиогеофизических условий, эти ре-
зультаты расчетов показывают, что ПС PH или РБ (и не только атомарный водород)
могут сохраняться в верхней атмосфере продолжительное время на больших рас-
стояниях от их выброса. Модельные расчеты [23] показали большое влияние гелио-
геофизических условий, в частности уровня солнечной активности, при пусках ракет
на степень антропогенного загрязнения верхней атмосферы. Например, благодаря
тому, что при низкой солнечной активности замедляется процесс убегания Н и уве-
личивается его фоновая концентрация в верхней атмосфере, эффект одиночного вы-
броса Н в таких условиях оказывается малым, однако резко возрастает эффект серии
выбросов: доля антропогенного водорода по отношению к фоновому может достиг-
нуть более десятка процентов в глобальном масштабе. Наименее изученным в на-
стоящее время является вопрос о том, к каким серьезным последствиям с сугубо гео-
физической или экологической позиций может привести описанный выше эффект.
Некоторые соображения, высказанные в [24], являются весьма спорными.
3.1.4. Воздействие взрывов изделий ракетно-космической техники
на околоземную среду
Несмотря на общий рост надежности РКТ в целом, полностью исключить возник-
новение аварийных и нештатных ситуаций при ее эксплуатации в обозримом буду-
щем, по-видимому, не удастся. Об этом свидетельствует как предыдущая, так и на-
стоящая практика использования РКТ.
ГЛАВА 3.1 ВЛИЯНИЕ РКТ НА ОЗОНОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ И НЕЙТРАЛЬНЫЙ...849
Анализ [25] банка данных о запусках отечественных PH в период с 1957 по 2003 гг.
показал, что ~7% от общего количества пусков относятся к неудачным (аварийным).
Это не такая уж малая величина, если принять во внимание, что из анализа были ис-
ключены все аварии, произошедшие до момента отрыва PH от пусковой установки.
Примерно аналогичная ситуация имеет место и для зарубежных пусков PH.
В настоящее время четкая и ясная классификация аварийных и нештатных ситуа-
ций, связанных с РКТ, не разработана из-за чрезвычайного многообразия причин,
приводящих к таким ситуациям, а также многообразия и зачастую непредсказуе-
мости последствий аварий, включая их экологические аспекты. Однако очевидно, что
наибольшую опасность со всех точек зрения представляют взрывы РКТ, которые по
праву можно отнести к серьезным техногенным катастрофам. Подобного типа ава-
риям здесь и уделяется основное внимание.
К сожалению, необходимо констатировать, что взрывы РКТ и их влияние на ОКП
наименее изучены в общих исследованиях воздействий РКТ на различные геосферы
Земли. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, отсутствием в достаточном
объеме экспериментальных данных, поскольку взрывы РКТ носят ярко выраженный
случайный характер, и это приводит, естественно, к невозможности организации за-
ранее диагностики характеристик самого взрыва и его последствий для ОКП. Во-
вторых, большими трудностями физического описания этого явления - процесс
взрыва (в отличие от классического его определения) заметно растянут во времени,
развитие взрыва и его воздействие на ОКП существенно зависят от высоты. Одно-
временно со взрывом идет горение различных веществ (топлива, кабелей, обмазки
и т. п.), а также разлет твердых элементов и обломков конструкции и распростра-
нение газообразных и аэрозольных частиц.
Оценка воздействий взрывов РКТ на ОКП заметно отличается от аналогичных
оценок при нормальном функционировании техники. В данном случае появляется
необходимость учета целого ряда новых моментов. К ним относится рассмотрение
взрыва РКТ как явления, непосредственно воздействующего на различные объекты,
технические системы и средства космического базирования. Другой важный момент
связан с существенно большими пространственно-временными масштабами возни-
кающих возмущений в окружающей среде и отличиями в физических процессах, раз-
вивающихся в этих возмущениях. Последние обстоятельства требуют использования
новых, нетрадиционных подходов и методов при рассмотрении проблемы.
Во всем мире важнейшей характеристикой взрыва какого-либо изделия РКТ счи-
тается его мощность q, измеряемая, как и для взрывов химических взрывчатых ве-
ществ (ВВ) или ядерных взрывов, в тоннах (т) или килотоннах (кт) тротила. Для при-
ближенной оценки мощности взрыва можно использовать соотношение q = КМ213,
где М - масса (в тоннах) компонентов топлива ракетного топлива. Коэффициент
пропорциональности К меняется в достаточно широких пределах (0,3-1,6) в зави-
симости от состава топлива и условий взрыва [1].
Поражающие факторы взрывов: ударная волна, тепловое излучение от возникаю-
щей высоконагретой области пространства (огненного шара), химические загрязне-
ния высокотоксичными продуктами взрыва, электромагнитный импульс, разлет с
большой скоростью обломков и элементов конструкции - подробно исследуются
850
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
в [1]. Здесь мы ограничимся рассмотрением воздействий взрывов РКТ только на ок-
ружающую среду, не затрагивая проблему значительного увеличения количества
«космического мусора» при взрывах. Как уже отмечалось, озон сравнительно легко
разрушается при нагревании воздуха. Методология оценок данного эффекта при
взрыве, с одной стороны, близка к рассмотренной выше в разд. 3.1.1 [9], с другой -
несколько отличается от нее. Примем в качестве критической температуры разруше-
ния Tj » 500 К. Радиус Rd нагретой области и масса разрушенного озона оцениваются
из соотношений:
Rd=^al\^ak(Td-Tti))''\
М0^=2дС0}Ца/5к(Т,-Т0),
где СОз - массовая концентрация озона в невозмущенном воздухе с плотностью ра и
температурой Го; - средняя молекулярная масса воздуха; к - постоянная Больцма-
на. В табл. 3.1.3 приведены значения величин MQiid и Rd для различных значений
мощности взрыва на двух высотах h = 20 км и h = 30 км.
Определим долю потерь озона как отношение MQiid/Mq„ где MOi - масса озона в
атмосферном столбе соответствующего радиуса, MOi = GQjtRd, аОз = 5,4-6,4 т-км“2 -
масса озона, приходящаяся на единицу поверхности. Это отношение описывается
выражением:
«^1/3С0зРа/3(7;-^оГ1/3.
При взрывах мощностью q = 0,01-1 кт на высотах h = 20-30 км доля потерь озона
составляет 0,5-2%, что значительно превышает оценки разд. 3.1.1. Если продукты
взрыва содержат достаточное количество озоноактивных молекул типа NO, NO2, О,
разрушающих озон, то химические процессы, восстанавливающие озон в атмосфере,
будут идти со значительно меньшей скоростью. В результате в течение длительного
времени атмосферный озон будет разрушен.
С увеличением высоты взрывов изделий РКТ (h > 40-50 км) из-за уменьшения
плотности воздуха физическая картина развития взрывов значительно усложняется,
Таблица 3.1.3
Оценка массы разрушенного озона MOi d и радиуса области разрушения Rd
при взрывах разной мощности на двух высотах
д, кт 0,02 0,04 0,06 0,08 од о,з 0,5 0,7 0,9
кг 1,5 3,0 4,6 h = 20 кг 6,1 л 7,6 23 38 53 68
м 100 130 150 164 180 250 300 330 370
^Оз4>кг 3,7 7,5 И h = 30 К! 15 V1 19 56 94 130 170
м 180 220 250 280 300 440 520 600 630
ГЛАВА 3.1 ВЛИЯНИЕ РКТ НА ОЗОНОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ И НЕЙТРАЛЬНЫЙ...851
проблема озона теряет свою актуальность в связи с уменьшением его концентрации,
и на первый план выступают вопросы оценки возмущений ионосферы и нейтраль-
ного состава верхней атмосферы. Чрезвычайно негативную роль играет прак-
тически полное отсутствие экспериментальных данных. Опубликованные в [1,26]
результаты экспериментальных измерений волновых возмущений в ионосфере,
полученные в буквальном смысле случайно при взрыве на h « 45 км PH «Союз»
19.05.1996 г. в 08:55 UT, до сих пор являются единственными. Так как измерения
проводились на больших расстояниях от места взрыва (от 1 100 до 2 200 км) стан-
дартным методом доплеровского КВ- и СВ-зондирования, казалось бы, характе-
ристики ионосферных возмущений должны быть такими же, как и при штатном по-
лете PH «Союз». Оказалось, что это не так: скорости распространения возмущений
были в -1,5-2 раза выше. Более или менее корректного объяснения данного факта
не существует.
Учитывая большие трудности разработки теоретических моделей взрывов PH, РБ
и КА (исключение, пожалуй, составляют модели разлета элементов и обломков кон-
струкции, где наблюдается определенный прогресс [1]), по-видимому, пока един-
ственно возможным и оптимальным представляется использование методов и спо-
собов оценки возмущений в верхних геосферах, которые применялись и при-
меняются при исследовании воздействий на ионосферу и атмосферу взрывов
химических ВВ. К этому мнению подводят три важных соображения. Во-первых,
состав продуктов взрыва (для подавляющего большинства ВВ это - СО2, СО, С,
Н2О, Н2, О2, N2) близок к ПС ДУ РН/РБ (правда, относительное количественное со-
держание указанных компонентов в ПС может быть другим). Во-вторых, в проведен-
ных экспериментах на h ® 74-180 км масса ВВ составляла -2-80 кг, что при опреде-
ленных обстоятельствах будет соответствовать реальным значениям q при взрывах
изделий РКТ. И, наконец, в-третьих, существует принципиальная возможность ис-
пользования многочисленных экспериментальных данных, полученных при осуще-
ствлении взрывов химических ВВ.
Представленные ниже качественные оценки базируются на таком подходе и ос-
новываются на результатах обобщающих работ [27-31] (более подробно об АЭ в
ОКП см. гл. 3.2). В принципе, обсуждаемые геофизические эффекты должны воз-
никать при взрывах любых изделий РКТ. Естественно, их амплитуда и пространст-
венно-временные масштабы будут зависеть от Л, q, типа изделия (PH, РБ, КА) и его
конструкции.
В районе места взрыва всегда образуется область пространства с Т> TQ, ха-
рактеризуемая повышенными значениями Ne. Так, в серии АЭ с q » 0,03 т, прове-
денных на h -94-115 км, максимальные (начальные) значения Neo достигали зна-
чений -3-104-8-105 см-3, постепенно уменьшаясь со временем t до 8-103-3-104 см-3
(/» 360-900 с). Радиус R возмущенной области варьировался от 0,7-1,4 км (/« 0) до
0,4-2 км (/® 360-900 с), т. е. иногда даже наблюдался рост R. В других АЭ на
164-170 км с - 0,02 т зарегистрированы 7Vc0 - (1-3)-106 см”3 в центре облака,
#ео ~ (1-3)-105 см-3 на периферии и R « 1,2-2 км.
Важной особенностью рассматриваемой области пространства является свечение
в видимом и инфракрасном (ПК) диапазонах спектра. На рис. 3.1.8 показано рас-
852
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Фотографическая плотность, отн. ед.
1 0 1
Расстояние от центра облака, км
Рис. 3.1.8. Денситограмма оптического
изображения облака в одном из АЭ
(h - 106 км, q = 0,3 т); временной
интервал между кривыми 0,05 с
ковые значения Е~ 150-200 мВ-м 1
пределение интенсивности оптического све-
чения по радиусу области, полученное фото-
камерой. Измерения ИК-излучений при про-
ведении взрывов химических ВВ не прово-
дились. Однако очевидно, что увеличение
температуры атмосферы и внесение в нее
продуктов взрыва безусловно приводит и к
этому эффекту. Необходимо отметить, что
физические механизмы, ответственные за
возникновение видимого и ИК-свечений,
могут быть разными.
Возмущения электрического поля Е на фо-
не естественных значений Еф ~ 10-20 мВ-м”1
были обнаружены в нескольких взрывных
АЭ на Л ~ 164-170 км, q « 0,02 т. При этом
выделялись два типа возмущений: локальные
в квазистационарном поле и волновые. Пи-
фиксировались в интервале / ~ 0,06-0,15 с.
Всплеск длился не более -0,25 с, поле осциллировало с большим разбросом частот и
было направлено к точке взрыва.
Данные о возмущениях магнитного поля отсутствуют, так как магнитометры не
входили в состав бортового диагностического комплекса ни в одном из проведенных
АЭ. Можно лишь констатировать, что они должны иметь место, исходя из многочис-
ленных теоретических оценок [1] и экспериментальных измерений, осуществленных,
правда, в условиях других типов АЭ (например, при инжекции плазменных струй
взрывным способом [32] на h « 150-380 км).
В диапазоне энергий 0,01-300 кэВ при взрывах химических ВВ на h > 100 км, как
правило, наблюдается увеличение в 10-1000 раз потоков высыпающихся электронов
(«триггерный» эффект). Поток имеет пульсирующий характер, а общее время суще-
ствования эффекта, по крайней мере, превышает 100-150 с (по экспериментальным
данным). Для одного из АЭ до /« 1 с энергетический спектр потока неплохо аппрок-
симируется выражением:
у(е) = 4,4-Ю9 ехр(-е/3,2) см 2-с ’-кэВ !,
где 8 - энергия электронов. Заметим также, что в рассматриваемых условиях возмо-
жен рост направленного вверх потока электронов, особенно для взрывов на
90 км < h < 120 км [29].
С увеличением расстояния от места взрыва амплитуды возникающих возмуще-
ний, естественно, падают, а вариации Ne приобретают волнообразный характер [26].
Исключение составляет область пространства, ограниченная трубкой силовых линий
геомагнитного поля, проходящих через облако продуктов взрыва. Высыпающиеся
электроны приводят к ионизации и возбуждению атмосферных составляющих на
высотах, меньших высоты взрыва, и, соответственно, на больших удалениях от места
взрыва.
ГЛАВА 3.1 ВЛИЯНИЕ РКТ НА ОЗОНОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ И НЕЙТРАЛЬНЫЙ...853
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленные в кратком виде обобщенные материалы по влиянию РКТ на озо-
носферу, ионосферу и нейтральный состав верхней атмосферы позволяют сделать
следующие основные выводы.
1. Факт влияния запусков PH (жидкостных, твердотопливных) на озоносферу не
вызывает сомнения. Механизмы такого влияния изучены весьма детально, созданы
различной степени сложности многочисленные модели воздействия на О3. Однако
в целом можно констатировать, что влияние РКТ на озоносферу Земли незначи-
тельно.
2. Пространственно-временные масштабы ионосферных возмущений различной
природы, возникающих при запусках PH, как правило, являются значительными
(особенно в области FT). Результаты расчетов по теоретическим моделям неплохо
согласуются с многочисленными экспериментальными данными. Такие возмущения,
безусловно, приводят к различного рода нарушениям в работе радиотехнических
средств широкого диапазона частот на трассах «земля-земля», «земля-космос»,
«космос-космос».
3. Воздействие ПС PH и РБ на нейтральный состав верхней атмосферы (Л > 100 км)
проявляется в основном в нарушении теплового баланса среды (на h » 100-120 км) и
в возникновении долгоживущих образований ПС по сравнению с естественным фо-
ном (прежде всего, это относится к таким компонентам, как Н, СО2, СО, N2). Влияние
долгоживущих образований на поведение нейтрального состава верхней атмосферы в
целом с последующим возникновением каких-либо серьезных экологических послед-
ствий изучено плохо.
4. Из-за случайного характера взрывов различных изделий РКТ и больших труд-
ностей, встречающихся при разработке соответствующих теоретических моделей,
поведение окружающей среды в этих условиях является наименее изученным. Пред-
ставленные выше оценки, базирующиеся в основном на анализе экспериментальных
данных, полученных в АЭ со взрывами химических ВВ на h > 70 км, имеют сугубо
качественный характер. Они могут существенно измениться при рассмотрении
реальных взрывов РКТ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую природ-
ную среду. Справ, пособие. Под общ. ред. Адушкина В.В., Козлова С.И., Петрова А.В. М.: Анкил, 2000,
640 с.
2. Whitten R.C., Borucki W.J., Poppoff I.G., Turcko R.P. Preliminary assessment of the potential impact of so-
lid-fueled rocket engines in the stratosphere. J. Atmosph. Sci., 1975, v. 32, No 3. p. 613.
3. Карлов В.Д., Козлов С.И., Ткачев Г.Н. Крупномасштабные возмущения в ионосфере, возникающие
при полете ракеты с работающим двигателем. Космич. исслед., 1980, т. 18, вып. 2, с. 266.
4. Rote D.M. Space systems and their interactions with Earth’s space environment. Progress Astronaut. Aero-
naut, 1980, v. 71, No 1, p. 3.
5. Новиков Л.С., Петров Н.П., Романовский Ю.А. Экологические аспекты космонавтики. М.: Знание, 1986,
64 с.
6. Mendillo М. Ionospheric holes: a review of theory and recent experiments. Adv. Space Res., 1988, v. 8, No 1,
p. 51.
854 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
7. Бурдаков В.П., Еланский Н.Ф., Филин В.П. Влияние запусков ракет «Шаттл» и «Энергия» на озонный
слой Земли. Вестник АН СССР, 1990, № 12, с. 72.
8. Новиков Л.С., Романовский Ю.А. Космическая экология: антропогенные воздействия на околоземную
среду. Инженерная экология, 1999, № 3, с. 11.
9. Козлов С.И., Смирнова Н.В. Приближенный метод оценки разрушения стратосферного озона в голов-
ной ударной волне и факеле ракетного двигателя. Космич. исслед., 1995, т. 33, № 6, с. 630.
10. Деминов И.Г., Еланский Н.Ф., Озолин Ю.Э., Петухов В.К. Оценка воздействия регулярных пусков ра-
кет «Энергия» и «Шаттл» на озонный слой и климат Земли. Препринт № 1. М.: ИФА РАН, 1992.
11. Karol I.L., Ozolin Y.E., Rozanov E.V. Effect of space rocket launches on ozone. Ann. Geophys., 1992, v. 10,
p. 810.
12. Kruger B.C. Ozone depletion in the plume of solid-fueled rocket. Ann. Geophys., 1994, v. 12, p. 409.
13. Нагорский П.М., Таращук Ю.Е. Искусственная модификация ионосферы при стартах ракет, выводя-
щих на орбиту космические аппараты. Изв. ВУЗов. Физика, 1993, т. 36, № 10, с. 98.
14. Bernhardt Р.А. Environmental effects of plasma depletion experiments. Adv. Space Res., 1982, v. 2, No 2, p. 129.
15. Mendillo M. The effects of rocket launches of the ionosphere. Adv. Space Res., 1981, v. 1, p. 275.
16. Oraevsky V.N., Ruzhin Yu.Ya., Depueva A.Kh. et al. The subauroral events generated by rocket launching.
Adv. Space Res., 1995, v. 15, No 11, p. 153.
17. Смирнова H.B., Козлов С.И., Козик Е.А. Влияние запусков твердотопливных ракет на ионосферу Зем-
ли. I. Область Д. Космич. исслед., 1995, т. 33, № 1, с. 98. II. Области Е, Е-F. Там же, № 2, с. 115.
18. Смирнова И.В., Козлов С.И. Воздействие продуктов сгорания твердых и жидких ракетных топлив на
нижнюю ионосферу. Динамические процессы в геосферах под действием внешних и внутренних пото-
ков энергии и вещества (геофизика сильных возмущений). М.: ИДГ РАН, 1998, с. 301.
19. Нагорский П.М. Анализ отклика KB-радиосигнала на возмущения ионосферной плазмы, вызванные
ударно-акустическими волнами. Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1999, т. 39, № 1, с. 36.
20. Blanc Е. Observations in the upper atmosphere of infrasonic waves from natural or artificial sources: a sum-
mary. Ann. Geophys., 1985, v. 3, No 6, p. 673.
21. Козлов С.И., Смирнова H.В. Оценка влияния гелиогеофизических условий при запусках ракет на ха-
рактеристики возникающих ионосферных возмущений. Космич. исслед., 1999, т. 37, № 5, с. 507.
22. Карлов В.Д., Козлов С.И., Кудрявцев В.П. и др. Об одном типе крупномасштабных возмущений в
ионосфере. Геомагнетизм и аэрономия, 1984, т. 24, № 2, с. 319.
23. Власов М.Н., Грушин В.В. Модель глобального распределения в верхней атмосфере газообразных
продуктов работы ракетных двигателей. Космич. исслед., 1996, т. 34, № 1, с. 30.
24. Власов М.Н., Кричевский С.В. Экологическая опасность космической деятельности: Аналитический
обзор. М.: Паука, 1999, 238 с.
25. Козлов С.И., Клюшников В.Ю., Алпатов В.В., Хрусталев А.Б. Предварительные результаты статисти-
ческого анализа банка данных о запусках ракет-носителей. Тезисы докладов Всероссийской конфе-
ренции по физике солнечно-земных связей, Иркутск. ИСЗФ, 2001, с. 133.
26. Нагорский П.М., Козлов С.И. Ионосферные возмущения, инициированные взрывом в средней атмо-
сфере ракеты-носителя «Союз». Космич. исслед., 2000, т. 38, № 4, с. 363.
27. Rosenberg N.W. Chemical releases in the upper atmosphere (Project Firefly). A summary report. J. Geophys.
Res., 1963, v. 68, No 10, p. 3057.
28. Davis T.N. Chemical releases in the atmosphere. Rep. Prog. Phys., 1979, v. 42, No 9, p. 1565.
29. Козлов С.И., Смирнова Н.В. Методы и средства создания искусственных образований в околоземной
среде и оценка характеристик возникающих возмущений. I, II. Космич. исслед., 1992, т. 30, № 4, с. 495,
№ 5, с. 629.
30. Авдюшин С.И., Ветчинкин II.В., Козлов С.И. и др. Программа «Активные эксперименты и антропо-
генные эффекты в ионосфере»: организация, аппаратурно-методическое обеспечение, основные ре-
зультаты исследований. Космич. исслед., 1993, т. 31. № 1, с. 3.
31. Козлов С.И., Романовский Ю.А. Искусственная модификация ионосферы в активных экспериментах и
при антропогенных воздействиях. Там же, с. 26.
32. Gavrilov B.G., Podgomy I.M., Sobyanin D.B., Zetzer J.I. et al. North Star plasma-jet experiment particles and
magnetic field measurements. Journal Spacecraft and Rockets, 2004, v. 41, No 4, p. 490.
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
Гаврилов Б.Г., Зецер Ю.И., Киселев Ю.Н., Козлов С.И.
Институт динамики геосфер РАН
Список сокращений
АВ активное воздействие ИО
АЭ активный эксперимент КА
ВВ взрывчатые вещества ОКП
ВГК взрывной газовый компрессор ПО
ВГПС взрывной генератор плазменной струи ППР
ВПГ взрывной плазменный генератор СО
ионизированное (ионное) облако
космический аппарат
околоземное космическое пространство
плазменное образование
пучково-плазменный разряд
светящаяся область
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных задач геофизики и физики солнечно-земных связей является
исследование эффектов взаимодействия плазмы с магнитным полем. Такое взаимо-
действие является результатом движения в гелиосфере, магнитосфере и ионосфере
плазменных потоков различного масштаба и происхождения. Результатом взаимо-
действия является образование магнитосферы Земли, плазменных облаков в солнеч-
ном ветре и плазменных неоднородностей в ионосфере, генерация электрических
полей и токовых систем, ускорение потоков заряженных частиц, магнитные бури и
суббури, оптические и радиоэмиссии и т. п. Несмотря на гигантский диапазон раз-
меров (от солнечного ветра и плазменного слоя хвоста магнитосферы до мелко-
масштабных плазменных неоднородностей), плотностей (от единиц до миллиардов
частиц в см3) и скоростей (от долей до тысяч км-с”1) таких потоков, физические ме-
ханизмы их взаимодействия с магнитным полем имеют много общего. Гидродинами-
856
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НАОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
ческие и электродинамические эффекты взаимодействия плазмы с магнитным полем
изучаются теоретическими и экспериментальными методами в лабораториях и в ре-
альной межпланетной и геофизической среде.
И все-таки, несмотря на достижения в этой области, многие проблемы остаются
нерешенными. Это связано с чрезвычайно широким диапазоном параметров взаимо-
действия и сильно отличающимися по физическим механизмам явлениями в огром-
ном диапазоне пространственных масштабов. Для получения, например, адекватной
информации о процессах, связывающих солнечные возмущения с процессами на
Земле, необходимо одновременное согласованное измерение физических параметров
с использованием большого количества космических аппаратов (КА), сетей назем-
ных обсерваторий, расположенных по всей поверхности Земли, наличия сотен чрез-
вычайно дорогостоящих средств зондирования ионосферы и т. д. Такая задача пока
представляется трудновыполнимой. Даже в околоземном пространстве исследова-
тели сталкиваются со слишком сложной многоуровневой иерархией физических
процессов, изучение которой затруднено отсутствием полной картины источников
возмущений. В этих условиях необходимым дополнением к существующим мето-
дам наблюдений является проведение активных космических экспериментов в ре-
альной геофизической среде с использованием контролируемых источников воз-
мущений.
В течение последних десятилетий в мире нс ослабевает интерес к исследованиям
околоземной среды активными методами [1-5]. Такие исследования обладают рядом
преимуществ по сравнению с традиционными. Эти преимущества заключаются преж-
де всего в том, что в условиях искусственного активного воздействия на среду хоро-
шо известны характеристики источника возмущения, возможен широкий выбор вы-
сот, времени, района, гелиогеофизических условий проведения эксперимента, орга-
низации целенаправленных экспериментальных исследований в известных условиях
с применением широкого набора диагностических средств наземного и космического
базирования. В зависимости от целей конкретного исследования из широкого арсе-
нала имеющихся активных средств выбирается наиболее эффективный для решения
данной задачи метод воздействия на среду. В качестве источников возмущений ис-
пользуются мощные радиоволны, инжекция заряженных частиц (электронов, высо-
коскоростных плазменных струй и сгустков), выброс различных химически активных
веществ, искусственные метеоры, взрывы химических взрывчатых веществ (ВВ).
К настоящему времени с помощью активных методов проведены исследования
структуры и возмущений геомагнитного и электрического полей, свечения атмосфе-
ры, перемещающихся ионосферных неоднородностей, генерации электромагнитных
волн, ионнозвуковых, плазменных возмущений, появления плазменных и токовых
неустойчивостей, естественных и стимулированных высыпаний заряженных частиц.
Проведены эксперименты по определению температуры и плотности воздуха на
больших высотах, параметров ионосферных ветров, по оценке некоторых констант
скоростей реакций и концентраций малых составляющих атмосферы, различных ко-
эффициентов диффузии.
Отметим, что исследования поведения среды в условиях искусственного воздей-
ствия на нее имеют, помимо научного, большое прикладное значение. Не останав-
ливаясь детально на обсуждении этого вопроса, укажем только, что возникающие
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
857
искусственные образования значительно влияют на распространение радиоволн в
широком диапазоне частот и оптического излучения. Они могут быть использованы в
качестве различного рода помех, а также для физического моделирования некоторых
геофизических эффектов, возникающих при других типах воздействий [6-8], прове-
дение экспериментов с которыми в настоящее время либо запрещено, либо встречает
большие трудности. Кроме того, исследование проблемы в целом носит и ярко выра-
женный экологический характер, учитывая огромную важность решения многочис-
ленных вопросов по охране окружающей среды [9].
Околоземная среда обладает физическими характеристиками, которые условно
могут быть разделены на несколько взаимосвязанных классов: ионизационные, тем-
пературные, оптические, электромагнитные. В исследованиях, как правило, исполь-
зуется совокупность различных характеристик в зависимости от рассматриваемой
задачи или проблемы. Последовательность и взаимозависимость изменения этих ха-
рактеристик, а также диапазоны их вариаций определяются энергией воздействия,
высотой, типом источника возмущения и гелиогеофизическими условиями во время
проведения экспериментальных работ.
В настоящей главе дан обзор наиболее типичных методов активных воздействий
и результатов изучения реакции геофизической среды в экспериментах, проведенных
в течение последних десятилетий. Более подробно описаны осуществленные в 1997
и 1999 гг. российско-американские активные ракетные эксперименты «Флаксус»
[10] и «Северная звезда» [И]. Выбор этих экспериментов обусловлен тем, что они
достаточно типичны по поставленным задачам и методам исследования. С другой
стороны, благодаря использованию специальных схем проведения экспериментов и
широкому набору измерительных средств наземного, самолетного, ракетного и спут-
никового базирования был получен значительный объем научной информации по
эффектам, вызванным возмущением ионосферы, и ряд новых результатов, важных
для развития физики космической плазмы, солнечно-земной и магнитосферно-
ионосферной физики.
3.2.1. Методы и средства активных воздействий, общая характеристика
возникающих возмущений
Как отмечалось, методы и средства активных воздействий (АВ) разнообразны [3].
Источники АВ могут располагаться как на Земле (высокопотенциальные радиотех-
нические средства, мощные взрывы химических ВВ), так и непосредственно в около-
земном космическом пространстве (ОКП) на борту геофизических и других ракет, а
также ИСЗ.
3.2.1.1. Взрывы химических ВВ
Это одно из первых использованных средств АВ. Такие эксперименты проводятся
с начала 1960-х гг. (серия экспериментов «Firefly» [12]), и к настоящему времени об-
щее их количество приближается к 50, включая специально осуществленный в
1981 г. наземный взрыв с массой ВВ М~251 т [13]. При проведении взрывов в ОКП
значения М ограничивались возможностями ракет-носителей и были существенно
858
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
меньшими: от ~2 до 80 кг; удельное энерговыделение составляло г| = Е/М& 4 ~
~ 5 МДж-кг"1, где Е - энергия взрыва.
В качестве ВВ, как правило, применялись тринитротолуол, гексоген или смеси
этих ВВ. Типичный состав продуктов взрыва включает (в разных количественных
соотношениях) СО2, СО, С, Н2О, Н2, О2, N2. С целью усиления различных геофизиче-
ских эффектов во взрывчатую смесь часто добавлялись легкоионизируемые щелоч-
ноземельные металлы Cs, Li, Ва. Активные эксперименты (АЭ) со взрывами химиче-
ских ВВ были проведены в диапазоне высот 70 < h < 190 км. Форма зарядов в разных
АЭ позволяла осуществить либо сферически симметричный, либо направленный
(кумулятивный) взрыв. В ряде типичных для этого класса воздействия экспериментах
«Firefly», «Trigger», «TOR-1» и «TOR-2», проведенных на высотах 75-170 км при
массе ВВ от 10 до 80 кг, были обнаружены оптические эмиссии, изменение элект-
ронной концентрации ионосферы Ne, возмущения электрического и магнитного по-
лей, увеличение потоков высокоэнергетических частиц [2, 3, 14, 15].
Развитие взрывов на больших высотах h можно приближенно разбить на три ста-
дии: газодинамическую, диффузионную и стадию релаксации возникающего возму-
щения к естественному фону. Для h < 200-250 км газодинамическая стадия хорошо
описывается газовой динамикой сплошной среды. При М< 100 кг среднее время про-
текания этой стадии, зависящее, конечно, от Л, составляет ~10 с. Характерное время
диффузионной стадии определяется выражением X = Л2/2D, где R - радиус возмуще-
ния (облака), D - коэффициент диффузии (турбулентной, молекулярной для нейт-
ральных компонентов и амбиполярной для заряженных частиц). Время релаксации
возмущения к фону определяется высотой воздействия и типом рассматриваемого
геофизического эффекта. Наибольшие времена присущи вариациям Ne и оптическим
явлениям, наименьшие - электромагнитным возмущениям.
При взрывах химических ВВ все геофизические эффекты, за исключением изме-
нений в тепловом режиме среды на относительно небольших расстояниях г от места
взрыва, можно разделить на локальные, т. е. возникающие только в районе проведе-
ния АЭ, и нелокальные [16].
Значение концентрации плазмы в ближней зоне взрыва в экспериментах серии
«Trigger» и «TOR-1» (Л = 160-170 км, М~10кг) через время t< 1 с достигало
/Ve ~ 106 см-3 в центре облака и порядка Ne « 105 см-3 на расстоянии г - 1-2 км.
Таблица 3.2.1
Интенсивность свечения возбужденных компонентов воздуха
/, с O('D) 630 нм, релей O('S) 557,7 нм, релей N2(C3nu) 337,1 нм, релей N2(A3V) 320 нм, релей n2+ 391,4 нм, релей
0 8,8 7,1 1,3 1,1 5,0
0,1 5,7-102 2,3-10’ 1.1-104 8,2-102 3,8-104
1,0 1,7-10’ 1,0-104 1,1-Ю4 3,1-10’ 3,8-104
10,0 5,7-10’ 1,6-104 1,1-104 3,8-10’ 3,8-104
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
859
ГЛАВА 3.2
Размеры области свечения возмущенной
атмосферы в видимом диапазоне спектра
приблизительно совпадают с указанными
выше значениями г (локальный эффект).
Максимум в распределении свечения при-
ходится примерно на центр облака. Хотя
измерения ИК-излучений в рассматривае-
мых АЭ не проводились, очевидно, что рост
температуры воздуха в окрестности точки
взрыва и присутствие продуктов взрыва
приведет к росту интенсивности ИК-излу-
чения.
Наиболее вероятными причинами появ-
ления удаленных от места взрыва вариаций
Ае и оптических явлений являются рост
потоков высыпающихся электронов, сопро-
вождающийся последующей ионизацией и
возбуждением атмосферных компонентов, и
Рис. 3.2.1. Профили электронной
концентрации, рассчитанные для условий
эксперимента «Trigger» при различных /:
1 -0с;2-0,1 с; 3- 1 с; 4 - Юс
распространение волнообразных гидро-
динамических и магнитогидродинамических возмущений. На рис. 3.2.1 и в табл. 3.2.1
представлены результаты расчетов для различных значений времени t после инжек-
ции зависимости NQ(h) и интенсивностей свечения ряда возбужденных компонентов
воздуха в условиях высыпания высокоэнергичных электронов в эксперименте
«Trigger» [4]. Использовались экспериментальные данные о потоках электронов.
Эти расчеты демонстрируют нелокальный характер ионизационных и оптических
явлений, возникающих при взрывах химических ВВ. Максимум в распределении
N£h) находится на г > 60-70 км от места проведения АЭ.
Возмущения магнитного поля не регистрировались ни в одном из обсуждаемых
АЭ из-за отсутствия необходимой аппаратуры. Вариации электрического поля Е
обнаружены в экспериментах «Trigger» и «TOR-1» Наблюдались импульсы элект-
рического поля со схожими характеристи-
ками. В эксперименте «Trigger» пиковые
значения Е приходились на /-0,06-0,15 с
и равнялись -150-250 мВ-м"1 (рис. 3.2.2).
Всплеск Е длился не более -0,25 с.
В экспериментах «Trigger» и «TOR»
были зарегистрированы эффекты, связан-
ные с увеличением потоков высыпающихся
высокоэнергетических электронов. Начало
высыпания можно приближенно охаракте-
ризовать моментами времени t < 150-200 мс
после взрыва, а общее время высыпания
составляет 100-200 с. Основной рост пото-
ков электронов наблюдался в диапазоне
энергий 0,01-300 кэВ с максимумами в
диапазонах энергии -2-5 и -40-50 кэВ.
Е, мВм 1
150
100
50
0
0 100 200 /, мс
Рис. 3.2.2. Возмущения электрического
поля в эксперименте «Trigger»
860
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
3.2.1.2. Инжекция химически активных веществ
Все эти вещества подразделяются на плазмообразующие и плазмогасящие. К
плазмообразующим веществам относятся Ba, Li, Sr, Na, NO и др., имеющие более
низкие по сравнению с основными составляющими атмосферы N2, О2, О потенциалы
ионизации. Инжекция таких веществ приводит к увеличению концентраций элект-
ронов. Возникающие образования получили название ионизированных, или ионных
облаков (ИО). Данный метод АВ относится к одному из старейших: первые экспери-
менты были осуществлены в конце 1950-х - начале 1960-х гг., общее их количество
превышает 100 (только в рамках программы [2] в период 1981-1992 гг. проведено 36
экспериментальных работ). Идея использовать химически активные вещества (элект-
ронофильные) с целью понижения Ne в ионосфере окончательно была сформулиро-
вана значительно позднее. В табл. 3.2.2 представлен примерный перечень веществ, в
принципе пригодных для достижения такого эффекта понижения Ne (8 - энергия срод-
ства к электрону). В реальных АЭ, проведенных на h « 175-350 км в 1977-1988 гг. за
рубежом [12], применялись Н2О, Н2, СО2, SF6 (всего 20 экспериментов).
Одним из методов инжекции в ОКП плазмообразующих и плазмогасящих ве-
ществ является взрывной способ, когда эти вещества в разных количествах добавля-
лись в смесь химических ВВ. Наиболее распространены пиротехнические устрой-
ства, в которых получение целевого (выбрасываемого) компонента происходит в
результате испарения металла теплотой химической реакции («термитные испарите-
ли») [17]. Инжекция в плазму жидких электронофильных веществ (вода, четырех-
хлористый углерод, трехбромистый бор) производится распылением через сопло.
Распыление жидкости в заданном режиме с целью создания условий эффективного
взаимодействия ее с плазмой является достаточно сложной задачей. В реальных ус-
ловиях в среду могут поступить неразложившиеся химические вещества, многоатом-
ные молекулы и радикалы, имеющие низкие значения энергии сродства к электрону,
что приводит к резкому снижению эффективности электрофильных веществ. Твер-
дые пиротехнические плазмогасящие составы, обеспечивающие получение электро-
нофильных реагентов в процессе взрывчатого превращения, имеют большую плот-
ность электрофильного газа. Кроме того, продукты сгорания плазмогасящих составов
поступают в плазму в активном состоянии (в виде потока газов электронофильных
компонентов и соединений), для которых не требуется предварительной подготовки
(испарение, разложение).
Таблица 3.2.2
Параметры плазмогасящих веществ
Молекула, радикал £, эВ Молекула, радикал £, ЭВ Молекула, радикал £, ЭВ
С1О4 3,9 f2 2,96 no2 2,43
С1 3,62 НС1 2,57 Н2О 0,9
F 3,4 Вг2 2,57 SF6 0,6
Вг 3,37 Ь 2,51 СО2 0,5
HF 3,02 С12 2,4
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
861
Пространственно-временные характеристики ИО зависят от высоты инжекции
Л, типа вещества, инжектируемой массы и гелиогеофизических условий, при кото-
рых осуществляется АЭ. Типичные размеры ИО составляют —30-50 км в течение
-15—60 мин. При этом физические механизмы, приводящие к образованию ИО, раз-
личны для разных стадий его образования. На начальном этапе (7 < 1 мин) параметры
ИО определяются в основном характеристиками инжектора плазмообразующих ве-
ществ. Независимо от способа инжекции в околоземную среду выбрасываются в га-
зообразном состоянии не только элементы типа Ba, Cs, частично уже ионизирован-
ные в момент инжекции (—0,01% отТИ), но и разнообразные нейтральные компонен-
ты (при взрыве это С, СО2, Н2О и др.), а также дисперсные вещества [9, 17]. Далее
наступает диффузионная стадия расширения ИО, а затем стадия релаксации возму-
щения к естественному фону. Выброшенные плазмообразующие соединения начи-
нают ионизироваться под действием солнечного излучения. Характерные времена
ионизации для бария, цезия и лития равны 20, 1000 и 3 600 с соответственно. В про-
цессе создания ИО на h > 150-160 км, как правило, наблюдается его стратификация,
а в самом ИО возникают мелкомасштабные неоднородности NQ.
Оптические эффекты в условиях выброса плазмообразующих соединений весьма
многообразны. В видимом диапазоне на начальном этапе развития ИО свечение
имеет непрерывный спектр, затем наблюдается свечение, связанное с резонансным
рассеянием солнечного света, далее усиление эмиссий в различных линиях. Вклад в
общее свечение облака (особенно в усиление эмиссий) дают не только плазмообра-
зующие вещества и их соединения (например, при выбросе Ba - Bal, Ball, ВаО), но
и нейтральные и одновременно инжектируемые дисперсные компоненты, а также
возбужденные в результате повышения Ne составляющие воздуха типа O(’D) и др.
Цвет ИО непрерывно меняется по мере того, как облако проходит фазы от высокой
оптической плотности до оптической прозрачности: для бариевого облака - от крас-
ного, обусловленного дисперсными части-
цами, через оранжевый в центре и зеленый
(Ва!) на периферии до излучений в линиях,
относящихся к разным участкам (по цвету)
видимого спектра. Картина оптических эф-
фектов весьма сложна, тем не менее в ис-
следованиях свечения ИО достигнут зна-
чительный прогресс. Особенно это касается
инжекции Ва и Sr [12, 16, 18, 19].
Стимулированное высыпание энергич-
ных электронов неоднократно наблюда-
лось при создании ИО, особенно при про-
ведении АЭ в авроральной ионосфере. На
рис. 3.2.3 показаны потоки электронов с
энергией 1 кэВ и их пульсации при инжек-
ции Cs на h —156 км 11.03.1982 г. на ши-
роте -68° с. ш. [16]. Момент инжекции Cs
указан стрелкой.
Рис. 3.2.3. Увеличение и пульсация потоков
электронов с Е = 1 кэВ в авроральной
ионосфере: 1 - скорость счета детектора;
2, 3 - составляющие, выделенные
по методу главных компонент
862 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Время существования эффекта составляет от единиц до сотен секунд. Энергети-
ческий спектр электронов довольно широк: 0,5-300 кэВ. Практически во всех АЭ
потоки (где они регистрировались) имели пульсирующий характер [16, 20] (рис. 3.2.3).
К сожалению, физические механизмы, приводящие к «триггерному» эффекту, как и в
случае взрывов химических ВВ, до конца не поняты.
Образование ИО сопровождается заметными возмущениями постоянного элек-
трического поля и флуктуациями переменного поля с частотой, близкой к гирочасто-
те Q иона, преобладающего на высоте инжекции. В среднеширотной F-области, а
также в авроральном Е-слое основным является ион О+, имеющий Q ~ 35-50 Гц. Из-
менения постоянного электрического поля и низкочастотная волновая мода возника-
ют в относительно малом объеме около точки инжекции и распространяются вдоль
магнитной силовой линии. Типичные вариации напряженности электрического поля
составляют от единиц до десятков мВ-м"1 в зависимости от высоты, способа инжек-
ции, широты, массы и типа инжектируемого вещества. Возмущения магнитного поля,
четко коррелирующие с флуктуациями электрического поля, обнаруживаются даже
на земной поверхности. Для расчета электромагнитных эффектов принципиальное
значение имеет корректное описание начальной фазы развития ИО [21].
Плазмогасящие соединения наиболее эффективно использовать на высотах F-об-
ласти, где Ne» [О+]. По механизму воздействия на ионосферу их можно разделить на
два типа. К первому относятся Н2О, Н2, СО2, при взаимодействии которых с О+ обра-
зуются положительные молекулярные ионы Н2О+, О2+, ОН+, быстро рекомбинирую-
щие с электронами:
XY + О+ —> ХО+ + Y, XY = Н2О, Н2, СО2, (3.2.1)
ХО+ + е —> X + О*, ХО+ = Н2О+, О2+, ОН+, (3.2.2)
О* —> О + hv. (3.2.3)
Уменьшение Ne обеспечивается тем, что скорости исчезновения О+ в реакциях
(3.2.1) в 10-100 раз выше скорости обменных процессов с О2 и N2, протекающих в
естественной ионосфере. Ко второму типу относятся SF6, CF3Br, Ni(CO4). В резуль-
тате диссоциативного прилипания электронов к этим соединениям образуются про-
межуточные отрицательные ионы, которые затем вступают в реакции взаимной нейт-
рализации с основным ионосферным ионом О+:
XY + е —> X- + Y, XY = SF6, CF3Br, Ni(CO4), (3.2.4)
Х“ + О+->Х + О*, (3.2.5)
0*->0 + /zv. (3.2.6)
Экспериментальные данные об изменении Ne при выбросе плазмогасящих соеди-
нений на высотах F-области показывают, что степень понижения Ne, размеры «ды-
ры» и время ее существования зависят от вида инжектированного вещества, его ко-
личества и гелиогеофизических условий проведения эксперимента. По оценкам Ne
падает в 10-100 раз, а время существования «дыры» с поперечными размерами до
20-30 км составляет ~30 мин. Согласно [22, 23], плазмогасящие компоненты второго
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
863
типа должны быть в целом более эффективными в создании ионосферной «дыры»,
чем компоненты первого типа, так как константа скорости реакции (3.2.5), опреде-
ляющей падение электронной концентрации, в 100 раз выше, чем для плазмогасящих
составов первого типа, связанных с процессом (3.2.1). В табл. 3.2.3 приведены ре-
зультаты расчетов [23] для инжекции 10 литров плазмогасящих компонентов первого
и второго типов на высоте 300 км в дневных и ночных условиях, показывающие
максимальное изменение электронной концентрации А/е/А^фон, размер области г с
данным падением Ne и изменение полного электронного содержания (ПЭС).
Оптические эффекты при инжекции плазмогасящих веществ первого типа обу-
словлены в основном возбужденными компонентами O(1D), O(1S), ОН (A2S, v' = 0),
переходы которых приводят к вариациям эмиссий 630; 557,7; 306,4 нм соответствен-
но, в принципе существующих на различных высотах в естественной среде. При
этом, как правило, свечение в линии 557,7 нм падает, а в двух других существенно
возрастает. Размеры возмущенной области пространства по оптическим эффектам
больше, чем по NQ, и составляют -50-60 км в зависимости, естественно, от всех ука-
занных выше факторов - h, М и т. д. В условиях инжекции соединений второго типа
картина свечения усложняется. Например, при выбросе SF6 в F-области в результате
протекания сложных химических процессов помимо O(1D), O(!S) возникают также
O(3Si°), O(5S2°), возбужденные нейтральные компоненты F, OF, ионы SF6". Различные
радиационные переходы дают свечение в линиях 130,4; 135,6; 436,8; 777,4; 844,6 нм,
многие из которых отсутствуют в невозмущенной ионосфере. В табл. 3.2.4 приведе-
ны рассчитанные в [22] величины максимальной интенсивности свечения /тах при
инжекции Юл указанных компонентов на h = 300 км (для сравнения даются также
значения /тах при выбросах веществ первого типа - Н2, Н2О, СО2). Необходимо учи-
тывать, что при регистрации различных линий на поверхности Земли, эмиссия, на-
пример, 630 нм уменьшается на -20%, а эмиссия 306,0 нм - в 150 раз.
Главное отличие в «триггерных» эффектах при инжекции плазмогасящих соеди-
нений от случая инжекции плазмообразующих заключается в уменьшении потоков
Таблица 3.2.3
Сравнительная оценка воздействия на ионосферу плазмогасящих веществ
Компонент Количество, кг А^е / Ne фон г, км ПЭС,1015 эл-м’2
н2 0,7 0,18 1,5 3,7
Н2О 10,0 0,04 2,5 4,7
СО2 11,0 0,12 4,9 8,0
SF6 (ночь) 18,8 30,9 20,7
SF6 (день) 18,8 0,44 18,0 11,2
CF3Br (ночь) 15,7 25,5 22,5
CFjBr (день) 15,7 0,18 21,0 15,7
Ni(CO)4 (ночь) 12,2 28,0 22,7
Ni(CO)4 (день) 12,2 0,69 10,0 4,5
864
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Таблица 3.2.4
Сравнительная оценка свечения среды при выбросе плазмогасящих веществ разного типа
Компонент X, нм /max. релей Компонент X, нм /max, релей
н2 630,0 226 CF3Br (ночь) 630,0 770
Н2О 306,0 2200 CF3Br (день) 630,0 570
СО2 630,0 1480 Ni (СО)4 (ночь) 774,4 5650
SF6 (ночь) 777,4 705 Ni (СО)4 (день) 774,4 3150
SF6(день) 777,4 340
высыпающихся энергичных электронов в 10-1000 раз, во всяком случае для энергий
Е« 0,5-2 кэВ. До сих пор это явление не было объяснено с физических позиций.
Складывается общее впечатление, что «триггерный» эффект определяется не элек-
тронами, содержащимися в магнитосфере, включая радиационные пояса Земли, а
поведением Ne на ионосферных высотах.
Отметим, что современная техника проведения экспериментальных работ позво-
ляет одновременно создавать несколько ИО [16] и осуществлять инжекцию химиче-
ски активных веществ в широком диапазоне высот, включая озоносферу и ионосфер-
ную D-область [24].
3.2.1.3. Инжекция электронов
Пучки электронов инжектируются в ОКП с помощью электронных пушек различ-
ной конструкции. Главные отличия между ними заключаются [25, 26] в значениях
первеанса А = IJ^3/2 (/- ток накала катода в амперах, V - ускоряющее напряжение в
вольтах), в использовании катодов из разных металлов и различных методов фокуси-
ровки электронных пучков.
Первый эксперимент с инжекцией электронного пучка с ракеты был осуществлен
в 1969 г., и к настоящему времени общее количество экспериментов, включая ин-
жекцию со спутников, достигло ~50. Инжекция электронов производилась импуль-
сами различной длительности, на разных высотах (80-400 км), на различных геомаг-
нитных широтах, под разными питч-углами к магнитным силовым линиям. В про-
веденных экспериментах использовались пучки электронов с энергией от 0,1 до
45 кэВ.
Процессы, происходящие при инжекции электронного пучка в ОКП, очень слож-
ны. При планировании эксперимента и интерпретации полученных эксперименталь-
ных данных важную роль играет определение механизма взаимодействия пучка элек-
тронов с окружающей средой. Если пучок взаимодействует со средой классическим
образом, испытывая рассеяние при упругих столкновениях, ионизуя и возбуждая
нейтральные компоненты (модель независимых частиц), то в этом случае возможно
использование пучка для определения конфигурации и замкнутости магнитных сило-
вых линий. В случае возникновения пучково-плазменных взаимодействий, в том
числе пучково-плазменного разряда (ППР), существенным образом меняется как ха-
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
865
рактер, так и величина наблюдаемых эффектов (ионизационных, оптических, волно-
вых и т. д.). Явление ППР наблюдалось во многих экспериментах, поэтому целесооб-
разно рассмотреть критерии его возникновения. Возможность возникновения ППР
критическим образом зависит от энергии и тока пучка инжектируемых электронов, а
также от давления Р атмосферы (концентрации нейтралов). По результатам лабора-
торных экспериментов величина порогового тока I в миллиамперах, необходимого
для возникновения ППР, определяется соотношением /= 240"3Е1,5/Р2?0’7Л, где на-
пряжение V дано в киловольтах, давление Р - в торр, напряженность магнитного по-
ля В - в гауссах, длина L системы «пучок-плазма» - в метрах. Естественно, результа-
ты лабораторных исследований не могут быть целиком перенесены на условия экс-
периментов в ОКП. Теоретический анализ [27], проведенный с учетом особенностей
ионосферной плазмы, дает диапазон /z ~ 95—165 км, в котором существуют условия
для возбуждения ППР.
Механизм возникновения ППР заключается в следующем. При взаимодействии
мощного электронного пучка со слабо ионизированной плазмой возбуждаются ин-
тенсивные плазменные колебания. В поле этих колебаний происходит нагрев тепло-
вых электронов плазмы до энергий порядка энергии ионизации основных атмосфер-
ных компонентов. При столкновении «горячих» электронов с нейтралами образуются
вторичные электроны. При этом, если концентрация нейтралов достаточно велика,
может развиваться лавинообразный процесс, приводящий к резкому росту Ne и зна-
чительному увеличению интенсивностей ряда эмиссий.
Рассмотрение экспериментальных данных об эффектах, возникающих при инжек-
ции электронных пучков, проведем с учетом отсутствия или наличия ППР в этих
экспериментах.
Основные сведения об ионизационных эффектах при инжекции электронов полу-
чают из радиолокационных измерений. При этом для оценок Ne задаются цилиндри-
ческой моделью плазменного образования (ПО), вытянутого вдоль геомагнитного
поля. Поперечные /± и продольные /ц размеры цилиндра ограничены Ае>МкРит для
данной длины волны радиолокатора, и поэтому общая пространственно-временная
картина поведения Nc получается, конечно, неполной. Различают три области повы-
шенной ионизации: околоракетная область при наличии ППР, область ионизации в
отсутствие ППР и «пятно ионизации» в магнитосопряженных областях относительно
точки проведения АЭ. Параметры 1-й и 2-й областей по данным эксперимента «Зар-
ница-2» на /г ~ 80-154 км приведены в табл. 3.2.5 [27].
Там, где возможно явление ППР, значения /ц возрастают с ростом высоты инжек-
ции, поперечные размеры /± увеличиваются с ростом энергии электронного пучка, а
при постоянной энергии - с ростом тока в пучке. Максимальные величины NQ также
растут с увеличением энергии электронов и могут достигать на h < 120-130 км весь-
ма больших значений - вплоть до Ае» 101 ’—1012 см-3, что достаточно для отражения
даже гигагерцовых радиоволн. «Пятно ионизации» наиболее просто выделить в
дальней магнитосопряженной точке, когда инжекция электронов осуществляется
вдоль магнитной силовой линии вверх. Результаты радиолокационных измерений в
северном полушарии в эксперименте «Араке» (инжекция происходила в южном по-
лушарии), дали Ne х 2-Ю5 см"3, радиус пятна ~ 1,2 км, размер по высоте ~10км, за-
866
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Параметры областей ионизации
Таблица 3.2.5
Область ионизации /||, м /±, м 7Ve, см 3
При ППР
околоракетная, h > 125 км 100-500 -10-100 (6-9)-107
В отсутствие ППР
h = 110-125 км 7000 3,5 107
h = 80-100 км 2000 9-20 < 5-107
держку в появлении «пятна» -2,5 с после импульса электронов, время релаксации Ne
к фону —15-20 с [4].
При инжекции пучков электронов с ракет наблюдаются в основном две зоны
свечения: околоракетнос свечение и искусственное полярное сияние. Иногда на-
блюдается и третья область свечения - «хвост» с длиной -1-5 км вдоль магнитного
поля. Появление «хвоста», а также его длина контролируются питч-углом инжек-
ции, но экспериментальных данных для установления этой зависимости пока мало.
Основные сведения об оптических эффектах в околоракстной области получены в
экспериментах, в которых по совокупности наблюдаемых эффектов был установ-
лен факт наличия ППР. По данным многих АЭ область свечения в окрестности ра-
кеты близка по форме к цилиндру, вытянутому вдоль геомагнитного поля, шириной
—10—15 м и длиной -200-300 м. На высотах инжекции h -95-155 км свечение в
диапазоне 550-700 нм имело непрерывный спектр. Кроме того, как правило, на-
блюдается усиление свечения в линиях 391,4 нм (1-я отрицательная система иона
N2+) и 557,7 нм, связанной с О(1S). Общее время свечения составляет t < 1 с. Харак-
терными особенностями искусственного полярного сияния являются большая ин-
тенсивность свечения в ИК-диапазоне и существенно меньшее время свечения по
сравнению с естественными полярными сияниями. Область максимального свече-
ния находится на h » 90-120 км, а ее размер в горизонтальной плоскости составля-
ет -100-200 м.
Важной особенностью АЭ с инжекцией электронов является генерация искусст-
венных электромагнитных излучений в широком диапазоне длин волн: от СДВ-ДВ
до КВ-УКВ. Источник излучений локализован в околоракетной области, при этом
большую роль играют наличие или отсутствие ППР, питч-углы инжекции и высота h
проведения АЭ. С ростом h частоты генерируемых радиоизлучений падают.
«Триггерные» эффекты должны иметь место при данном АВ, хотя их диагно-
стика существенно затруднена из-за физической природы самого воздействия. Тем
не менее в АЭ «Араке» наблюдалось стимулированное высыпание электронов с
энергией более 8 кэВ, зарегистрированное в паузах между импульсами инжекции
электронов.
В целом можно констатировать, что физические механизмы воздействий пучков
электронов на ОКП исследованы весьма полно, за исключением возможности воз-
никновения «триггерного» эффекта.
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮСРЕДУ
867
3.2.1.4. Инжекция ионов (плазмы)
Имеется большое разнообразие типов источников плазмы и пучков заряженных
частиц, различающихся по принципу действия, длительности процесса ускорения,
уровню мощности, рабочему телу и т. д. Они подразделяются на следующие классы
[3] (см. также гл. 2.3): электротермические ускорители, электрические ускорители,
плазменные электромагнитные ускорители, взрывные плазменные генераторы.
В электротермических ускорителях электрическую энергию преобразуют в теп-
лую энергию рабочего тела с последующим преобразованием ее в кинетическую
энергию истекающей из ускорителя струи. Известны два вида электротермических
ускорителей: электронагревный ускоритель, в котором в качестве преобразователя
электрической энергии в тепловую используют активное электрическое сопротивле-
ние, размещенное в камере нагрева рабочего тела, и электродуговой ускоритель, в
котором преобразование электрической энергии в тепловую осуществляется путем
пропускания рабочего тела через зону горения электрической дуги между электро-
дами, размещенными в камере нагрева рабочего тела. Электротермические ускори-
тели могут обеспечить скорости потока 10-20 км-с"1, плотность частиц в потоке
Ю10-Ю13 см"3, а энергию 0,5-2 эВ. Освоенный диапазон мощностей электротермиче-
ских ускорителей составляет от единиц до сотен киловатт, используемые рабочие
тела - Ar, Н2, Не, N2. Электродуговые ускорители представляют собой источники
нагретого и частично ионизированного газа с достаточно большой предельной ско-
ростью истечения.
В электростатических ускорителях частицы рабочего тела переводятся в заряжен-
ное состояние и ускоряются в виде униполярных потоков частиц электростатическим
полем. Создано и исследовано несколько типов электростатических ускорителей:
ионный ускоритель; плазменно-ионный ускоритель, в котором рабочее тело перево-
дится в заряженное состояние путем ионизации его в объеме газоразрядной камеры.
Разрабатываются ионные ускорители с поверхностной ионизацией и коллоидные
ускорители. В последних рабочее тело заряжается и ускоряется в виде твердых или
жидких макрочастиц с большим числом атомов или молекул.
В плазменных электромагнитных ускорителях рабочее тело переводится в плаз-
менное состояние и ускоряется с использованием электрического и магнитного по-
лей. К плазменным электромагнитным ускорителям относятся:
• торцевой сильноточный ускоритель с внешним магнитным полем, в котором
рабочее тело в плазменном состоянии ускоряется в электрическом разряде, го-
рящем в торцевой части ускорителя между коаксиальными электродами во
внешнем осесимметричном магнитном поле;
• торцевой сильноточный ускоритель с собственным магнитным полем, в кото-
ром рабочее тело в плазменном состоянии ускоряется в электрическом разряде,
горящем в торцевой части ускорителя между коаксиальными электродами в
магнитном поле, созданном током разряда;
• импульсный плазменный ускоритель, в котором рабочее тело переводится в
плазменное состояние и ускоряется импульсной подачей напряжения на элект-
роды ускорителя;
868
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
• ускоритель с анодным слоем, в котором ионный компонент плазмы ускоряется
самосогласованным электрическим полем в слое плазмы электрического раз-
ряда со скрещенными электрическим и магнитным полями, сформированными
непосредственно у поверхности анода;
• ускоритель, в котором ионный компонент плазмы ускоряют самосогласован-
ным электрическим полем в слое плазмы электрического разряда со скрещен-
ными электрическим и магнитным полями, сформированными в отдельном от
электродов магнитном слое.
Взрывной плазменный генератор (ВПГ) представляет собой устройство, преобра-
зующее путем кумуляции энергию взрыва в энергию высокоскоростной плазменной
струи [29, 30]. Специально подчеркнем, что в ВПГ могут использоваться самые раз-
личные рабочие тела - воздух, Al, Р1 и многие другие.
С середины 1970-х гг. было проведено более 40 АЭ с инжекцией плазмы. В диа-
пазоне высот 100 < h < 400 км в ОКП инжектировались под разными питч-углами к
геомагнитному полю Li, Хе, Ar, Cs, Ва, Cl2, C2F4, Al. Скорости инжекции варьирова-
лись от 1 до 40 км-с"1. Как показывает сравнительный анализ различных источников
плазмы и возникающих при их воздействии геофизических эффектов, в настоящее
время наиболее перспективным считается использование ВПГ, особенно в части ис-
следования электромагнитных явлений. Поэтому экспериментам с ВПГ ниже посвя-
щен специальный разд. 3.2.3.
К сожалению, данные по оптическим эффектам, возникающим при воздействии
на ОКП плазменных потоков, ограничены. Только в некоторых АЭ типа «Аэлита» и
«Ариэль» [3, 4] наблюдалось усиление свечения в линиях 630 нм и 557,7 нм, принад-
лежащих O(1D) и O(!S), а также в разных линиях, относящихся к инжектируемому
рабочему телу (в частности, к Li - 670,8 нм). При проведении экспериментов на
h —100—150 км на средних широтах размер излучающей области не превышал
—1—1,5 км, а время свечения t < 1 -2 с.
Локальный рост Ne, вызванный инжекцией плазмы, регистрируется с помощью
бортовых зондов и наземных радиолокационных измерений. В зависимости от типа и
характеристик плазменных инжекторов значение Ne может составлять 105—1011 см"3
на расстояниях в сотни метров от источника плазмы. Важными параметрами, опре-
деляющими размеры, форму и характер эволюции ПО являются ориентация на-
правления инжекции по отношению к магнитному полю, состав, масса и скорость
инжекции, высота проведения АЭ. Динамика инжектированного плазменного пото-
ка определяется его торможением и временем диффузии внешнего магнитного поля
в плазму. На высотах до ~200 км преобладающее влияние на скорость плазмы оказы-
вает торможение фоновым газом, на больших высотах возрастает роль местного маг-
нитного поля, которая на h > 500 км становится доминирующей. После проникнове-
ния внешнего поля в плазму скорость потока определяется дрейфовой скоростью
Е х В. При распространении плазмы поперек магнитного поля на динамику плазмы
оказывает также влияние диссипация энергии потока вследствие генерации продоль-
ных токов. При определенных характеристиках плазменного потока и фоновой среды
могут возникать явления кумуляции плазменного потока и аномального распростра-
нения на большие расстояния (см., например, [28, 31]).
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
869
Электромагнитные возмущения
Таблица 3.2.6
Эксперимент Возмущения квазистационарных полей Низкочастотные возмущения, кГц Высокочастотные возмущения, МГц
&Е, мВ-м 1 АВ, Гс
«Аэлита-1» - (3-5)-10’2 - -
«Аэлита-2» 200-300 10’3-10’2 - -
«Поркупайн» 50 - 1-10 1-10
«ARCS 1» - - < 10 1-10
«ARCS 2» - - 1-10 1-10
«ARCS 3» - - 0,1-10 -
«Ариэль-4» 50-100 10-2-10-’ - -
Сведения о возмущениях электрического (АЕ) и магнитного (ДЕ) полей, измерен-
ных в некоторых АЭ, приведены в табл. 3.2.6 [4].
Несмотря на специфические особенности возмущений, возникающих при про-
ведении конкретных АЭ, им присущи следующие общие черты: вариации квазиста-
ционарного электрического поля с амплитудой ~102 мВ-м"1 и магнитного поля с амп-
литудой ~10-3—10-1 Гс, генерация низкочастотных возмущений в полосе частот
-0,1-10 кГц, генерация высокочастотных возмущений в диапазоне -1-10 МГц.
Во многих экспериментах с инжекцией плазмы в ОКП наблюдается рост потока
высыпающихся частиц. Величина потока, общее время высыпания, пространст-
венный масштаб существенно зависят от типа инжектора, питч-угла и начальной
скорости инжекции (высота проведения АЭ играет меньшую роль). При АЭ на
h -100—200 км при разных типах инжекции потоки электронов увеличивались по
сравнению с фоном в 2-100 раз в диапазоне энергии электронов более 1 кэВ, сам по-
ток имел пульсирующий характер, время высыпания составляло от десятков секунд
до нескольких минут [4].
3.2.1.5. Мощные радиоволны (воздействие высокопотенциальных
радиотехнических средств)
Специальные эксперименты по воздействию на ионосферу мощным радиоизлуче-
нием KB-диапазона с целью модификации температуры и концентрации электронов
были начаты в 1970 г. [9]. Уже первые из них, проведенные в США (Боулдер) и Рос-
сии (Нижний Новгород, Москва, Мончегорск), показали, что для решения задач по
взаимодействию радиоволн с ионосферно-магнитосферной плазмой необходимы
радиопередающие системы, обеспечивающие в диапазоне 3-10 МГц излучение с
эффективной мощностью PG> 100 МВт. Наиболее полные эксперименты дают воз-
можность управления положением луча антенны в пространстве, поляризацией из-
лучения, возможность работы на одной или ряде частот одновременно с различной
формой и типом модуляции излучения.
870
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Таблица 3.2.7
Основные характеристики нагревных КВ-стендов
Место расположения стенда Диапазон частот, МГц Коэффициент усиления антенны G Эффективная мощность PG, МВт
Аресибо (Пуэрто-Рико), 18° с. ш. 3,0-12,0 200-400 160-300
Душанбе (Таджикистан), 38,5° с. ш. 3,7-6,0 60-80 6-8
Боулдер (США), 40° с. ш. 4,5-9,0 2,7-3,3 60-80 30 120-160 60
Харьков (Украина), 55,5° с. ш. 5,0-12,0 150 15
Москва (Россия), 55,5° с. ш. 1,35 100 100 (в импульсе)
Нижний Новгород (Россия), 56,1° с. ш. 4,6-5,75 4,5-9,0 1,2-1,5 100-150 240 35 15,0-22,5 150-320 7,0
Мончегорск (Россия), 68° с. ш. 3,3 130 10
Тромсе (Норвегия), 69,3° с. ш. 2,5-8,0 240 1200
Аляска (США), 65° с. ш. 2,85; 4,53 130
Аляска (США), 66° с. ш. 2,8-10,0 3600
В настоящее время в мире действует только несколько стендов КВ-радионагрсва
ионосферы. Их характеристики приведены в табл. 3.2.7 [3, 32].
В последнее время для исследования магнитосферы довольно широко начали
использоваться радиовещательные, навигационные и другие мощные передающие
устройства. Главная цель этих исследований - оценка механизмов возникновения
«триггерных» эффектов в магнитосферной плазме. Сейчас в мире существует, по
крайней мере, 15 передатчиков [33], пригодных для осуществления таких АЭ.
Характер отклика ионосферы и магнитосферы на облучение мощной радиоволной
зависит от частоты излучения. Воздействие СВЧ-излучений здесь не обсуждается
прежде всего из-за отсутствия экспериментальных данных, хотя теоретические ис-
следования в этом направлении достаточно развиты (см., например, [34-36]).
Поглощение энергии KB-радиоволн ионосферной плазмой приводит к росту тем-
пературы электронного газа Те с последующим влиянием этого эффекта на концен-
трацию Ne и возникновение других геофизических явлений. На h < 75 км (нижняя
часть области D) из-за ускорения процессов прилипания электронов происходит па-
дение Nq пропорционально ~Ге2; на высотах 75 км < h < 150-160 км, наоборот, благо-
даря замедлению реакций диссоциативной рекомбинации электронов с положитель-
ными молекулярными ионами наблюдается увеличение Nc как ~Ге1/2; на h > 160 км
(F-область) концентрации Nc также уменьшаются с определяющей ролью термодиф-
фузии и процесса О+ + N2*, где N2* - колебательно-возбужденный азот. Из-за не-
больших длин свободного пробега электронов на h < 160 км возмущение ионосферы
определяется шириной диаграммы направленности антенны нагревного стенда. На
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
871
больших h пробеги электронов увеличиваются до нескольких километров, поэтому
первоначально локальное возмущение достаточно быстро (единицы-десятки секунд)
расплывается вдоль магнитного поля на расстояние в десятки километров. В области
отражения мощных радиоволн в F-области образуются неоднородности Ne различ-
ных масштабов (возникает искусственная ионосферная турбулентность): мелко-
масштабные с поперечными размерами /± < Хвн (Хвн - длина волны накачки), средне-
масштабные (Хвн < < 500 м), крупномасштабные (/± > 500 м). Характерное время
развития турбулентности ть горизонтальные и вертикальные размеры области, заня-
той неоднородностями, время релаксации т2 зависят от поляризации радиоволны,
угла ее падения на ионосферу, мощности передатчика, времени суток проведения
АЭ. Параметры неоднородностей, полученные на основании обобщения многочис-
ленных АЭ, приведены в табл. 3.2.8 [4].
Оптические явления при воздействии KB-радиоволны на ионосферу обусловлены
основными (О, N2, О2) и малыми нейтральными компонентами атмосферы, возбуж-
даемыми ускоренными электронами из-за роста Тс и развития параметрической неус-
тойчивости в районе точки отражения. Механизмы свечения изучены достаточно
хорошо. Интенсивности излучений в различных линиях (630; 557,7 нм) зависят от h,
PG, широты, гелиогеофизических условий.
Облучение ионосферы мощными радиоволнами приводит к генерации низкочас-
тотных излучений, а также KB-радиоизлучений вблизи частоты волны накачки. При
этом в первом случае волна накачки должна быть модулирована по амплитуде. Ис-
кусственное радиоизлучение неоднократно наблюдалось в АЭ на стендах Аресибо, в
Нижнем Новгороде, Тромсе. Важно отметить, что низкочастотное излучение возни-
кает в результате модуляции естественных ионосферных токов. В свою очередь, это
приводит к геомагнитным пульсациям в диапазоне частот, определяемом частотой
модуляции мощности излучения.
Воздействие мощных ОНЧ-псредатчиков на магнитосферу приводит, помимо
искажений самой ОНЧ-волны, к увеличению ОНЧ-шумов, микропульсациям геомаг-
нитного поля, высыпанию частиц из магнитосферы («триггерный» эффект). Физиче-
ский механизм высыпания частиц заключается в том, что меняется их питч-угловое
распределение в результате резонансного взаимодействия (циклотронное ускорение)
электронов со «свистовой» волной, инжектируемой в магнитосферу. В конечном сче-
те, конус потерь геомагнитной ловушки заполняется и увеличивается поток элект-
ронов.
Таблица 3.2.8
Параметры неоднородностей Ае в области F
Тип м /±, м Т1, с т2, с A7Ve / Nq фон
Крупномасштабные 10-50 >500 3-50 300-600, день 600-1200, ночь 0,01-0,05
Среднемасштабные 6-10 50-500 3-40 10-110 0,001-0,005
Мелкомасштабные >0,2 <50 > 120 0,1-5 0,005-0,01
872 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Наиболее эффективно механизм циклотронного ускорения электронов работает
тогда, когда частота электромагнитной волны близка или несколько превышает гиро-
частоту электронов в силовой трубке геомагнитного поля, которая на расстоянии от
двух до четырех радиусов Земли меняется в пределах -20-200 кГц. В этом диапазоне
в настоящие время имеются стандартные СДВ-передающие средства мощностью до
1 МВт [3]. Такие станции способны обеспечить поток электронов ~106 см"2-с-1 с энер-
гией 20 кэВ. В естественных условиях в зависимости от геомагнитной возму-
щенности поток может меняться в широких пределах, достигая максимальных
величин 105-107 см"2-с-1 в магнитовозмущенные периоды. Таким образом, при бла-
гоприятных условиях искусственно стимулированные потоки электронов могут
быть равны естественным в период умеренной геомагнитной возмущенности. Ра-
кетные измерения высыпания электронов в результате резонансного взаимо-
действия с ОНЧ-волнами дали направленную интенсивность в конусе потерь
~103 см"2-с"1-ср"1-кэВ"1 для электронов с энергией 16 и 21 кэВ [36]. Характеристики
высыпающихся электронов, в частности, их спектр, и зона стимулированного высы-
пания зависят от частоты ОНЧ-волны. Если частота волны не слишком мала по срав-
нению с гирочастотой (случай непродольного распространения), частицы, взаимо-
действующие с волной, высыпаются в противоположном полушарии. Энергетиче-
ский спектр высыпающихся частиц может быть очень широк, так как в резонанс с
волной вступают частицы различных энергий (от десятков эВ до нескольких кэВ) в
различных точках магнитосферы. Если частота волны намного ниже гирочастоты
(случай продольного распространения), резонансные частицы движутся навстречу
волне и высыпаются в области инжекции ОНЧ-волны. Стимулированное высыпание
электронов приводит к возникновению тормозного рентгеновского излучения, уве-
личению ионизации в D- и Е-областях и появлению оптических эмиссий в УФ- и ви-
димом диапазонах. Тесно связано со стимулированным высыпанием электронов воз-
никновение геомагнитных пульсаций при действии ОНЧ-волны. В экспериментах по
воздействию на субавроральную магнитосферу излучения ОНЧ-передатчика (L = 4,
/= 19 кГц), расположенного на Кольском полуострове, наблюдались микропульсации
геомагнитного поля в диапазоне частот 0,008-1 Гц, относящиеся к иррегулярным
пульсациям типа Pi 1 и Pi2 [9]. При приеме искусственных монохроматических ОНЧ-
сигналов на спутниках обнаружено значительное уширение частного спектра этих
сигналов.
3.2.2. Методы и средства диагностики искусственных возмущений
Главными задачами, стоящими перед диагностическими комплексами при про-
ведении АЭ, являются измерение параметров самого воздействия и реакции на него
окружающей среды. По месту расположения диагностические средства могут быть
разделены на бортовые, устанавливаемые на ИСЗ, ракетах и отделяемых модулях,
и наземные. Ниже кратко рассмотрены наиболее типичные методы измерений фи-
зических полей, параметров плазмы и потоков заряженных и нейтральных частиц,
оптических эмиссий и т. п. на примере аппаратуры, использованной в последних
космических АЭ. Основное внимание уделено бортовым измерительным комп-
лексам.
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
873
3.2.2.1. Измерения магнитных полей
Для измерения квазипостоянных магнитных полей используются феррозондовые
магнитометры с полосой частот от 0 до -100 Гц. Для измерения эффектов, связанных
с вытеснением магнитного поля при том или ином АВ, с генерацией магнитогидро-
динамических возмущений и распространением альвеновских и магнитозвуковых
волн, применяются высокочастотные индукционные трехкомпонентные магнито-
метры с полосой измеряемых частот, которая определяется задачами конкретного
эксперимента и составляет от 0,1 Гц до 500 кГц в диапазоне измеряемых полей
10-105 нТл. Для исключения влияния магнитного барьера, образующегося при взаи-
модействии перемещающегося со скоростью порядка нескольких км-с"1 измеритель-
ного модуля с геомагнитным полем, датчики устанавливаются на диамагнитных
штангах длиной порядка радиуса КА или ракеты. В ряде случаев используются раз-
дельные магнитометрические каналы для измерения крупномасштабных возмущений
геомагнитного поля и магнитогидродинамических волн, возбуждаемых в процессе
эволюции ПО (см., например, [37]).
3.2.2.2. Измерения параметров плазмы
Наиболее типичным инструментом для измерения концентрации ионов и элект-
ронов в плазменном потоке и фоновой плазме, а также для определен ля скорости
распространения ПО являются зонды Ленгмюра. В АЭ со скоростной инжекцией
плазмы, плазмообразующих веществ или электронов приходится, как правило, иметь
дело с быстропротекающими процессами и короткоживущими ПО. В этой ситуации
используются насыщенные зонды с постоянным положительным (для измерения
концентрации электронов) или отрицательным (для измерения ионов) смещением.
Зонды размещаются на откидных штангах, что позволяет исключить или уменьшить
вклад ионов и электронов, эмитируемых поверхностью КА или измерительного мо-
дуля при столкновении с высокоэнергетическими частицами или вызванных интен-
сивным ультрафиолетовым излучением самого источника плазмы. Диапазон изме-
рения концентрации плазмы определяется характеристиками инжектированных по-
токов. В АЭ с инжекцией плотных и сверхплотных плазменных струй приходится
использовать раздельные зонды для измерения в областях низкой и высокой концен-
трации заряженных частиц. В экспериментах «Флаксус» и «Северная звезда» исполь-
зовались цилиндрические зонды Ленгмюра, состоящие из двух коаксиальных зондов,
объединенных в одном корпусе. Такая схема позволила измерять концентрацию ио-
нов в диапазонах 105-109 см"3 и 108-1012 см"3 [31,38].
Для измерений полной энергии потока плазмы в ряде случаев используются пиро-
электрические приемники с чувствительными элементами в виде тонких пластин из
пироактивных кристаллов танталата лития. Угол зрения пироэлектрических прием-
ников составляет до 160°. В зависимости от исполнения датчика он может использо-
ваться для измерений всей поступающей на его поверхность энергии потока плазмы,
частиц и излучения в диапазонах длин волн: от 0,01 до 50 мкм («открытый датчик»);
от 0,2 до 4 мкм (чувствительный элемент закрыт кварцевым окном); от 0,11 до 8 мкм
(чувствительный элемент закрыт окном из фтористого лития). Инерционность при-
емников не превышает 1 мкс, а измерительная схема обеспечивает регистрацию сиг-
налов в течение времени до -0,1 с [39].
874
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
3.2.2.3. Измерения плотности, зарядового состава и энергетического распределения
потоков заряженных частиц
Современным средством для измерений энергий ионов и электронов являются
электростатические анализаторы с круговым полем зрения. Каждый анализатор
включает тороидальную отклоняющую систему электродов, представляющую собой
две полусферы с небольшим зазором, и коллиматор частиц в форме «шляпы», что и
дало название этому типу приборов (Top Hat). Частица проникает в зазор, образован-
ный «шляпой» и верхней полусферой, отклоняется существующим там электриче-
ским полем и затем влетает в зазор между полусферическими электродами. Полный
угол отклонения частиц в анализаторе близок к 90°. Далее частицы попадают на при-
емный электрод или микроканальную пластину. Поле зрения анализаторов составля-
ет 360° по полярному углу и до 10° по азимутальному. Комплект ионных и электрон-
ных анализаторов IESA, MESA и SESA [40] позволяет регистрировать потоки ионов
с энергиями 10-400 эВ и электронов с энергией от 4 эВ до 10 кэВ. Длительность раз-
вертки по энергии составляет 6,4 мс и включает 16 шагов длительностью 0,4 мс. Раз-
решение по энергии - 15 %. В эксперименте «Fast» [41] с высоким временным и
пространственным разрешением исследовалось питч-угловое распределение сверх-
тепловых частиц в диапазоне энергий от 4 эВ до 32 кэВ для электронов и от 3 эВ до
24 кэВ для ионов. Часть анализаторов использовалась для определения функции рас-
пределения электронов с временным разрешением 1,63 мс.
3.2.2.4. Измерения электрических полей
Для измерения электрических полей используются датчики, устанавливаемые на
длинных штангах и обеспечивающие трехкомпонентное измерение электрического
поля. Как и в случае магнитных измерений, в зависимости от ожидаемого источ-
ника и механизма генерации электрических полей проводятся измерения квази-
постоянного поля в диапазоне частот от 0 до примерно 1 кГц и быстро изменя-
ющегося волнового поля, частотный диапазон которого может простираться до
100 МГц. В последнем случае для первичного преобразования и сжатия сигнала
используется бортовой компьютер, производящий быстрое Фурье-преобразование
(см., например, [42]). В эксперименте «Fast» шесть из десяти датчиков электриче-
ского поля использовались одновременно как зонды Ленгмюра. Они имели сфери-
ческую форму и позволяли измерять плотность электронов при фиксированном
смещении [43].
3.2.2.5. Измерения оптических характеристик и параметров свечения плазмы
и окружающей среды
АЭ показали, что оптические измерения вносят существенный вклад в исследова-
ние динамики возникающих процессов. При проведении АЭ использовались фото-
метры с выделением различных областей спектра - от ближнего УФ-излучения до
дальнего ИК-излучения, фотосъемка с экспозицией несколько секунд, видеосъемка с
частотой 25-30 кадров в секунду с использованием усилителей яркости и без них,
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
875
спектрографы с временным разрешением от 5 мс. В АЭ часто используются фото-
метры, позволяющие проводить измерения в узкой области спектра с полушириной
пропускания 0,1-2 нм благодаря применению интерференционных фильтров. Чувст-
вительность типичных фотометров составляет единицы релей при постоянной вре-
мени в десятки микросекунд и угле поля зрения единицы градусов.
Оригинальными датчиками, применявшимися в некоторых экспериментах (на-
пример, «Флаксус» и «Северная звезда»), являются малоинерционные пироэлект-
рические приемники, представляющие собой модель абсолютно черного тела и ре-
гистрирующие как энергию набегающей плазмы, так и энергию падающего на них
излучения в широком спектральном диапазоне [39].
3.2.2.6. Наземные средства диагностики
Наиболее развитыми методами наземной диагностики ионосферных эффектов
при АЭ являются радиофизические методы. Применяются станции вертикального и
наклонного зондирования ионосферы, установки некогерептного рассеяния радио-
волн, различные доплеровские методы, радиолокаторы КВ- и УКВ-диапазонов. К
радиофизическим методам следует также отнести исследования вариаций радиосиг-
налов на трассах «космос-космос», «космос-земля», «земля-космос», если эти трас-
сы так или иначе примыкают к месту АВ. Кроме того, при АЭ возможно использова-
ние стандартных радиоастрономических средств. Более подробную информацию о
применении этих методов можно найти в [32, 44].
Наземные электромагнитные и оптические методы и средства базируются на из-
вестных гелиогеофизических сетях той или иной страны: ионосферно-магнитосфер-
ной службе, службе Солнца, озонометрических станциях и т. д. В ряде случаев при-
влекаются специальные комплексы измерений, включая существующие радиолока-
ционные и оптические системы оборонного назначения.
3.2.3. Активные эксперименты по воздействию па ионосферу
высокоскоростных плазменных струй
В разделе рассматриваются сценарии и результаты успешно проведенных в рам-
ках российско-американского научного сотрудничества активных геофизических
ракетных экспериментов «Флаксус» (1977 г.) и «Северная звезда» (1999 г.). В экс-
периментах принимала участие большая кооперация российских и американских
исследовательских организаций. Головными исполнителями экспериментов явля-
лись Институт динамики геосфер РАН (ИДГ РАН) и Лаборатория прикладной фи-
зики Университета Джонса Гопкинса, США. Целью экспериментов являлось иссле-
дование реакции ионосферы Земли на высокоэнергетическое импульсное воздейст-
вие плотной высокоскоростной плазменной струи и изучение поведения
искусственного ПО в условиях взаимодействия с атмосферой и геомагнитным по-
лем. Их отличием от ранее проведенных экспериментов с инжекцией плазмы явля-
ется использование разработанных в ИДГ РАН взрывных генераторов плазмы с
рекордными параметрами, схемы экспериментов, позволившие обеспечить точное
876
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
взаимное расположение средств АВ и диагностических комплексов в ионосфере,
многоточечные измерения в большом диапазоне расстояний, использование широ-
кого набора измерительный средств наземного, ракетного и спутникового базиро-
вания.
3.2.3.1. Взрывные генераторы высокоскоростной плазменной струи
В первых экспериментах по исследованию воздействия высокоскоростной плаз-
мы на ионосферу и магнитное поле Земли использовались взрывные генераторы,
основанные на принципе взрывного газового компрессора (ВГК) [29, 45, 46]. В этих
генераторах (рис. 3.2.4) рабочий газ (воздух) ускорялся при ударном сжатии разо-
гнанным взрывом заряда 2 плоским металлическим ударником 4 в камере 5, выпол-
ненной в виде сферического сегмента, и поступал в виде высокоскоростной плазмен-
ной струи в выходную втулку 6. Исследования такого генератора [29, 46] показали,
что он позволяет получать плазменные струи, распространяющиеся со скоростями до
55 км-с"1. На рис. 3.2.5 представлены измеренные распределения энергии и массы по
скорости струи в генераторе ВГК-1. На этом графике каждому значению скорости
соответствуют суммарные масса и энергия части струи, движущейся со скоростью,
превышающей заданную. Масса заряда в этом генераторе составляла 0,8 кг. Видно,
что энергия плазменной струи, движущейся со скоростями выше 5 км-с"1, достигала
110 кДж, а ее масса - 1,2 г. Плазма на выходе из такого генератора была сильно ио-
низована, ее начальная температура составляла 40000-50 000 К [30]. Недостатком
такого типа генераторов является сильное загрязнение струи испаряемым со стенок
камеры сжатия алюминием, доля которого составляла 90% от полной массы струи, а
также низкая эффективность преобразования энергии взрыва в энергию струи (не
более 2%). Недостатком этой конструкции является также то, что при необходимости
увеличения размеров генератора и энергетики струи требуется трудоемкая экспери-
ментальная отработка взрывной линзы, создающей плоскую детонационную волну в
основном заряде, и профиля камеры сжатия.
Рис. 3.2.4. Взрывной генератор типа ВГК: 1 - корпус
генератора; 2 - основной заряд ВВ; 3 - взрывная
линза; 4 - ударник; 5 - камера сжатия; 6 - выходная
втулка; 7 - диафрагма; 8 - детонатор
Рис. 3.2.5. Зависимость кинетической
энергии Е и массы т от скорости плазменной
струи U для генератора ВГК-1
ГЛАВА 3 2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
877
Рис. 3.2.6. Взрывной генератор типа ВГПС:
1 - корпус генератора; 2 - основной заряд ВВ;
3 - контейнер с рабочим веществом;
4 - пористое рабочее вещество; 5 - выходная
втулка; 6 - листовое ВВ; 7 - детонатор
Рис. 3.2.7. Зависимость кинетической энергии
Е и массы т от скорости плазменной струи
для генератора ВГПС (значения нормированы
на энергию и массу ВВ)
Поэтому для АЭ была разработана принципиально новая конструкция взрывных
генераторов высокоскоростной плазменной струи (ВГПС) [47], действие которых
основано на сжатии, испарении и ускорении с помощью взрыва твердого высокопо-
ристого рабочего вещества. Схема устройства таких генераторов представлена на
рис. 3.2.6. В корпусе 1 из алюминиевого сплава заключен основной литой заряд ВВ 2.
В имеющееся в центре заряда отверстие вставлен цилиндрический контейнер 3 с по-
ристым рабочим веществом 4. В качестве рабочего вещества использовались тонко-
стенные трубочки из заданного вещества Основной заряд 2 подрывался от детонато-
ров 7 одновременно по своему наружному периметру с помощью тонкого лис-
та 6 ВВ. В результате подрыва в заряде формировался детонационный фронт в виде
воронки, сходящейся к оси заряда. При нагружении такой детонационной волной
рабочее вещество испарялось в ударной волне и в виде плазменной струи вылетало в
имеющееся в выходной втулке 5 отверстие. Выходная втулка под действием продук-
тов взрыва деформировалась и перекрывала выходное отверстие. Это позволяло на
некоторое время отсекать высокоскоростную плазменную струю от движущихся за
ней продуктов взрыва. В генераторах для ракетных экспериментов в качестве рабоче-
го вещества применялся пористый алюминий. Поскольку камера сжатия в таких ге-
нераторах тоже была из алюминия, то результирующая плазменная струя не содер-
жала посторонних веществ.
В результате проведенных лабораторных исследований и оптимизации конструк-
ции генераторов получено значительное увеличение массы и энергии высокоскоро-
стной плазменной струи (рис. 3.2.7) и появилась возможность менять эти параметры
в широких пределах путем пропорционального изменения размеров генераторов.
Коэффициент преобразования энергии взрыва в энергию плазменной струи в этих
генераторах составлял около 14%. Плотность плазмы на выходе ВГПС достигала
значения 4 г-см"3, а ее яркостная температура - 26 000 К.
В ракетных экспериментах применялись взрывные генераторы с энергией плаз-
менных струй от 0,11 до 6 МДж и массой струй от 1,2 до 30 г Во всех экспериментах
плазменные струи состояли в основном из алюминия.
878
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
3.2.3.2. Эксперименты «Кумулюс» и «Флаксус»
Проведенные в 1987-1997 гг. активные ракетные эксперименты «Кумулюс» по-
зволили отработать схемы экспериментов с инжекцией высокоскоростных плазмен-
ных струй, испытать и отработать различные схемы плазменных генераторов, диаг-
ностическое оборудование [47]. Основными участниками экспериментов являлись
ИДГ РАН и Институт прикладной геофизики Росгидромета. Опыты проводились на
полигоне Капустин Яр с использованием геофизических ракет на высотах 140-150 км
при энергии инжектированной плазмы 0,11-1,6 МДж. Плазменная струя распростра-
нялась по направлению к ракете. Во всех экспериментах гелиогеофизические условия
были спокойными. Результаты экспериментов регистрировались комплексами бор-
товой и наземной измерительной аппаратуры. В проведенных опытах обнаружено
возникновение светящейся области (СО)
большого размера: диаметром до 3,2 км
при объеме около 20 км3 [48-53]. По-
следовательность процессов, наблюдае-
мых при инжекции плазменной струи,
во всех опытах примерно одинакова. На
рис. 3.2.8 представлены фотографии раз-
вития СО в опыте «Кумулюс-3», снятые
телевизионной камерой с борта самоле-
та в направлении 30° к горизонту.
Два геофизических ракетных экспе-
римента «Флаксус-1» и «Флаксус-2»
были проведены в районе полигона Ка-
пустин Яр 31 января и 5 февраля 1997 г.
Рис. 3.2.8. Видеокадры развития свечения
в эксперименте «Кумулюс-3»
Источником воздействия служила алюминиевая плазменная струя массой 22 г с ки-
нетической энергией 3 МДж. В обоих экспериментах метеорологическая ракета
МР-12 с плазменным генератором на борту [10, 38] запускалась под углом около 70°
к поверхности Земли в восточном направлении. На высоте 140-150 км генератор от-
делялся от ракеты. После его удаления на расстояние -100 м происходила инжекция
плазменной струи в направлении ракеты, на борту которой был установлен прибор-
ный комплекс, предназначенный для измерения параметров плазменной струи и ок-
ружающей среды. Угол между осью ракеты и силовой линией геомагнитного поля на
высоте инжекции составлял 5-25°. Инжекция осуществлялась в ночных условиях. Ге-
лиогеофизические условия проведения обоих экспериментов были спокойными.
Во время проведения эксперимента исследовались эволюция и динамика плаз-
менной струи, ее параметры, воздействие на них геомагнитного поля и обратное дей-
ствие плазмы на окружающую среду и магнитное поле. Измерения концентраций
ионов в диапазоне Ю6-1010см-3 производились зондами Ленгмюра. На рис. 3.2.9
представлены результаты измерений. В обоих экспериментах максимальное значение
концентрации ионов в плазменной струе оказалось больше ожидаемого.
Скорость плазменного фронта, оцененная по времени появления максимума ско-
рости роста концентрации ионов nh составляла -45 км-с-1. Максимальная концентра-
ция ионов (больше 5-109 см-3) существенно превышала фоновую (^ - 5-104 см-3) и
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
879
Рис. 3.2.9. Концентрация ионов на расстоянии —100 м от инжектора в экспериментах
«Флаксус-1» (а) и «Флаксус-2» (б)
наблюдалась в первом эксперименте в течение ~70 мс, а во втором - в течение
~80 мс.
На рис. 3.2.10 показаны результаты измерений магнитного поля на расстоянии
— 100 м от источника. Данные представлены в системе координат магнитометра XYZ,
где ось Z совпадает с осью ракеты. В экспериментах компонента Bz претерпевает
наиболее значительные изменения. Резкое уменьшение Bz происходит после прихода
плазмы, регистрируемой зондом Ленгмюра. Одинаковое поведение всех трех ком-
понент (рис. 3.2.10) указывает на регистрацию вытеснения поля по осям X, Y, Z
магнитометра при приходе струи к ракете, т. е. наблюдается диамагнитный эффект.
Величина вытесненного поля ^ДВ2 + ДВ? + ДВ? ~ 0,39 Гс близка к напряженности не-
возмущснного поля на высоте инжекции (Во = 0,48 Гс). Существование полости зна-
чительного понижения В позволяет оценить концентрацию плазмы на основании ба-
ланса давлений плазмы и магнитного поля п = (502 - Д-2) / (8л£7) , где BQ - магнитное
Рис. 3.2.10. Измеренные в экспериментах «Флаксус-1» (а) и «Флаксус-2» (б) изменения
компонент магнитного поля: 1 - АВХ, 2 - АД,,, 3 - АД,
880
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
поле Земли, а Д- - магнитное поле внутри сгустка. В диапазоне ожидаемой темпера-
туры сгустка плазмы 0,5-5 эВ получим концентрацию ионов в струе 1О9-1О10 см-3,
что подтверждает результаты зондовых измерений.
Оптическое излучение плазменной струи и окружающей среды регистрировалось
бортовым измерительным комплексом, датчиками, установленными на американ-
ском исследовательском спутнике MSX, и наземным оптическим комплексом. Как
показали бортовые измерения, выход излучения из струи в диапазоне 2-4 мкм к мо-
менту времени 1 мс дает значение плотности энергии 6-106 Дж-см-2. С учетом рас-
стояния до низкоскоростной части струи —120 м и в предположении изотропности
излучения это соответствует энергии излучения ~10 кДж. Средняя излучаемая мощ-
ность составляла ~10 МВт. Основная энергия, по-видимому, излучалась в инфра-
красной области спектра. В видимой области на этой стадии излучалось около 30 Дж.
В интервале от 1 до 30 мс происходило интенсивное взаимодействие струи с окру-
жающей средой и увеличение интенсивности свечения. Начало роста концентрации
ионов, возмущение магнитного поля и выход излучения соответствуют скоростям
распространения, сравнимым или существенно превышающим максимальное значе-
ние скорости струи (~40 км-с-1), измеренное для такого взрывного генератора в на-
земных экспериментах.
На рис. 3.2.11 дана временная зависимость интенсивности свечения, измеренная в
эксперименте «Флаксус-1» [54]. Временную зависимость развития СО можно разде-
лить на три стадии. Наиболее интенсивное свечение регистрировалось в начале раз-
лета струи - в стадии 1 свободного расширения струи (0-10-3 с), второй пик интен-
сивности - в стадии 2 взаимодействия струи с окружающей средой (10-3-10-1 с). В
этой стадии СО имела сначала сигарообразную форму и расширялась со скоростями
около 50 и 15 км-с-1 в продольном и поперечном направлении соответственно. Через
0,1-0,2 с в головной части струи формировалась СО, по форме приближающаяся к
сфере, центр которой был расположен на расстоянии около 2 км от источника плаз-
мы, происходила релаксация возбужденной области, интенсивность излучения пада-
Рис. 3.2.11. Зависимость от времени
интенсивности 1 видимого светового излучения
и энергии Е, излучаемой возмущенной областью,
зарегистрированная в эксперименте «Флаксус-1»
ла, а к концу свечения даже немного
возрастала. В третьей стадии, длитель-
ность которой достигала 3 минут, в
видимой области спектра высвечива-
лась значительная энергия - около
500 кДж из 3 МДж начальной энергии
струи. Максимальная мощность све-
тового излучения СО составляла около
20 кВт.
Спектральные измерения показали,
что в начальной, первой стадии СО
излучала сплошным спектром, а в ста-
дии слабого свечения (см. рис. 3.2.12)
основной вклад в видимое излучение
дают линии А1, продукты взаимодей-
ствия алюминия с воздухом и возбуж-
денные компоненты воздуха.
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
881
В экспериментах зарегистрировано но-
вое явление опережающей ионизации перед
плазменной струей. На рис. 3.2.13 представ-
лено изменение во времени полной концент-
рации в набегающей на ракету струе, опреде-
ленное по показаниям пироэлектрического
приемника, отстоящего от точки инжекции
струи на 130 м. Там же показано изменение
ионной составляющей. Рост концентрации
ионов начинался в момент 1,5 мс, тогда как
струя приходила на ракету в момент време-
ни 4 мс, что соответствует ее максимальной
скорости 32 км-с"1. Это явление опережаю-
щей ионизации наблюдалось при распростра-
нении высокоскоростной струи в разрежен-
ном воздухе и в лабораторных эксперимен-
тах [55]. Одним из возможных механизмов
образования этого «ионизационного пред-
вестника» может быть дополнительное воз-
буждение и ионизация среды, вызванная
генерацией токовой системы в окрестности
плазменной струи [56, 57].
Данные радиолокационного зондирова-
ния и оценки плотности плазмы по отсечке
прохождения сигнала телеметрии показали,
что через 3 с после инжекции концентрация
электронов в ионизованной области разме-
ром 0,3-1,0 км была ~5-107— I О8 см"3, а иони-
зованная область с концентрацией электро-
нов -5-106 см"3, имеющая размеры 2-5 км,
существовала до 5 мин.
В экспериментах зарегистрировано воз-
растание напряженности постоянного элект-
рического поля ~1-5 мВ-м"1 (фоновые усло-
вия до 150-200 мВ-м"1) при пересечении
измерительным модулем ионизованной об-
ласти. Также зарегистрировано увеличение
напряженности переменных электрических
полей в диапазоне частот 35 Гц - 18 кГц.
Зарегистрировано увеличение по сравнению
с фоном потока мягких электронов с энер-
гией 0,3-3 кэВ в течение 25 с (увеличение в
2-16 раз) и потока электронов с энергией
свыше 40 кэВ в течение 5 с (увеличение в
2-8 раз).
Поток, фотон-см 2-с ’-нм'
160 200 240 1, нм
O(>D) OW)NNf(A2nu)
500 700 X, нм
Рис. 3.2.12. Спектрограммы, полученные в
эксперименте «Флаксус-1» спутником
MSX в интервале 0-0,5 с. Горизонтальными
стрелками обозначены диапазоны длин
волн для состояний: 1 - NO(A2Z+ - Х2П);
2 - 02(<73Su+); 3 - А1О*; 4 - мсйнеловские
полосы ОН*; 5 - Н АЮН*
Рис. 3.2.13. Изменение полной концентрации
п атомов и ионов в струе (1) и ионной
составляющей (2) в эксперименте
«Флаксус-1»
882
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
В целом эксперименты «Флаксус» по сравнению с другими аналогичными экспе-
риментами показали более высокую эффективность возбуждения ночной ионосферы
высокоскоростной плазменной струей. Масса возбужденного воздуха в возникающем
светящемся образовании в 5 000 раз превышала массу самой струи, что говорит о
практически чистой возбужденной среде. Процессы разлета струи, взаимодействия ее
с окружающей средой и релаксации среды были существенно разделены в простран-
стве и во времени, что облегчает регистрацию параметров каждого из этих процес-
сов. Результаты экспериментов показали, что головная часть струи состоит в основ-
ном из быстрых ионов, а фронт потока нейтральных атомов отстает от регистрируе-
мого зондами фронта плазмы на 2-3 мс. Дополнительное ускорение ионов в потоке
должно, по-видимому, происходить из-за электрического поля объемного заряда,
создаваемого уходящими вперед электронами. Это электрическое поле на фронте
приводит к потере энергии электронами и ускорению ионов. Уменьшение градиента
электронной температуры при передаче энергии от электронов к ионам компенсиру-
ется на фронте струи потоком тепла за счет высокой теплопроводности электронного
газа.
Таким образом, было продемонстрировано, что высокоскоростная плазменная
струя, распространяющаяся на высоте порядка 150 км перпендикулярно силовым
линям геомагнитного поля, эффективно взаимодействует с ионосферой и геомагнит-
ным полем. Для исследования эффектов, возникающих при инжекции плазменной
струи примерно параллельно геомагнитному полю, был проведен эксперимент «Се-
верная звезда».
3.2.3.2. Эксперимент «Северная звезда»
Эксперимент был осуществлен в ночной авроральной ионосфере 22 января 1999 г.
на полигоне Покер Флэт (Аляска, США) с использованием американской иссле-
довательской ракеты Black Brant XII [11, 31, 37]. Было проведено две инжекции
алюминиевых плазменных струй в ночных условиях. Плазменная струя инжектиро-
валась поперек геомагнитного поля. Проводились комплексные измерения как
внутри плазменного потока (бортовые измерительные комплексы), так и с помощью
дистанционных измерений с поверхности Земли и американского спутника MSX,
осуществлявшего оптические измерения. С помощью бортовых комплексов измеря-
лись плотность плазменного потока, магнитные и электрические поля, потоки заря-
женных частиц на расстояниях от 170 м до 1 600 м от источника плазмы. Последова-
тельные измерения параметров плазмы в трех точках позволили получить достаточно
полную информацию об эволюции струи плазмы и эффектах в окружающей среде.
Оптические измерения проводились с использованием бортовой аппаратуры и на-
земными пунктами, размещавшимися в Покер Флэт и Кактовике, Аляска, а также
бортовым комплексом исследовательского спутника MSX. Основными инструмента-
ми в Покер Флэт являлись видеокамера и высокоскоростной фотометр, в Кактовике -
стандартная видеокамера и высокоскоростная камера (1000 кадров в секунду). На
спутнике MSX, который находился в момент проведения эксперимента на полярной
орбите на высоте h - 900 км и на расстоянии -2 500 км от точек инжекции плазмы,
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
883
размещались три оптических комплекса, в состав которых входили инфракрасный
телескоп, работающий в диапазоне длин волн 4,2-26 мкм, блок оптических камер
видимого диапазона и комплекс измерений в видимом и УФ-диапазонах с четырьмя
фоторегистраторами и пятью спектрографами, покрывавшими диапазон длин волн
113-902 нм при спектральном разрешении 1-5 нм.
Для проведения эксперимента ракета выводила на заданную высоту четыре моду-
ля, которые были выстроены в определенном порядке на разных расстояниях друг от
друга в одну линию, направленную по предполагаемой оси струй (рис. 3.2.14). Ось
баллистического порядка перпендикулярна местному геомагнитному полю. Взрыв-
ные генераторы ВГПС-420 и ВГПС-400, установленные соответственно на модулях
ETG-1 и ETG-2 (Explosive Type Generator), были конструктивно выполнены одинако-
во и отличались тем, что па генераторе ВГПС-420 дополнительно была установлена
воздушная канистра для создания перед плазменной струей искусственного воздуш-
ного облака, с повышенной по сравнению с окружающей средой плотностью. По
сравнению с взрывными генераторами ВГПС-100, которые применялись в экспери-
ментах «Флаксус», в ВПГ, использованных в эксперименте «Северная звезда», масса
заряда ВВ была увеличена в два раза и составляла ~10 кг.
б
Рис. 3.2.14. Схема расположения взрывных плазменных генераторов и
исследовательских модулей в эксперименте «Северная Звезда»
при Инжекции-1 (а) и при Инжекции-2 (б)
При первой инжекции (далее Инжекция-1) на Л ~ 360 км плазменная струя созда-
валась ВПГ, установленном на модуле ETG-1, а измерения проводились датчиками,
расположенными на модулях ETG-2, PDP (Plasma diagnostic Payload) и OSP (Optical
Sensor Payload) на расстояниях 170, 468 и 1020 м соответственно (верхняя часть
рис. 3.2.14). Модуль ETG-1 содержал ВПГ и баллон со сжатым воздухом и предна-
значался для генерации алюминиевой струи в предварительно созданном воздушном
облаке. Модуль ETG-2 содержал ВПГ и измерительные датчики. На модуле PDP на-
ходились датчики плазменной диагностики, включая зонды Ленгмюра, магнитомет-
ры, датчики электрического поля и анализаторы заряженных частиц. Модуль OSP
содержал оптические датчики, зонд Ленгмюра и магнитометр.
884
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Вторая инжекция плазмы (Инжек-
ция-2) была произведена на h ~ 280 км.
При этом использовался генератор
плазмы, установленный на модуле
ETG-2. В это время модуль PDP рас-
полагался на расстоянии 537 м, а мо-
дуль OSP - 1 595 м от инжектора. В
обоих экспериментах полная масса ис-
паренного алюминия составляла ~30 г,
а полная энергия струи ~6 МДж.
Большой набор наземных, борто-
вых и спутниковых датчиков зареги-
стрировал оптический образ струи.
Развитие во времени СО при Инжек-
ции-1 и Инжскции-2 представлено на
рис. 3.2.15а, б в виде последовательно-
сти кадров, сделанных через 0,016 с.
При Инжекции-1 область свечения с
самого начала была близка по форме к
сферической, а ее размер достигал
8 км. В Инжекции-2 СО с высокой
скоростью (более 150 км-с-1) распро-
странялась в направлении поперек оси
струи вдоль магнитного поля. Через
а
BHQQa
б
Рис. 3.2.15. Развитие области свечения плазмы при
Инжекции-1 (а) и Инжекции-2 (б). На кадрах
указано время в секундах. Линия имеет длину
5 км и направлена вправо из точки
инжекции по оси струи
17 мс размер святящейся области составил ~5 км. С момента времени 0,1 с на кадрах
появляется изображение самой струи, движущейся поперек магнитного поля.
Потоки ионов и электронов регистрировалась электростатическими тороидаль-
ными ионным (IESA) и электронными (MESA и SESA) анализаторами. Концентрация
ионов измерялась с помощью зондов Ленгмюра. Зарегистрированные ими при пер-
вой инжекции сигналы на расстояниях
п„ 109 см-3
3,0 -
Рис. 3.2.16. Концентрация ионов на
расстояниях 170 (1), 468 (2) и 1020 м (3)
от инжектора (Инжекция-1)
170, 468 и 1020 м от плазменного генератора
(на модулях ETG-2, PDP и OSP соответст-
венно) показаны на рис. 3.2.16. Все три зон-
да регистрируют крутые передние и пологие
задние фронты концентрации. Значительный
рост концентрации плазмы на расстоянии
170 м отмечен через 4 мс после детонации,
что соответствует скорости прихода плазмы
~42 км-с-1. На фронте зарегистрированы вы-
сокочастотные колебания зондового тока.
Максимум плотности плазмы 3-109 см-3 за-
регистрирован на 7 мс. Плазма с концент-
рацией ионов, значительно превышающей
фоновую, наблюдалась в течение 250 мс.
Резкое возрастание плотности ионов на
расстоянии 468 м зарегистрировано на
13,8 мс, что соответствует скорости плазмы
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
885
-ЗОкм-с"1. Плазма с концентрацией ио-
нов, превышающей фоновые значения,
наблюдалась в течение 400 мс. По дан-
ным измерений на расстоянии 1020 м
максимум концентрации ионов, соответ-
ствующий значению 7-108 см-3, был заре-
гистрирован на 57 мс. Сохранение высо-
кой концентрации ионов в плазменной
струе на больших расстояниях от инжекто-
ра, несмотря на то, что угловое расхожде-
ние струи должно было привести к паде-
нию концентрации примерно на порядок
величины, является одним из наиболее
Рис. 3.2.17. Концентрация ионов на расстоянии
468 м от инжектора и поток ионов различных
энергий, зарегистрированный анализатором
IESA в Инжекции-1
интересных результатов эксперимента.
Скорость плазмы на этом расстоянии от
источника составила ~22 км-с"1.
На рис. 3.2.17 приведен график ион-
ной концентрации на расстоянии 468 м от
инжектора вместе с данными измерения ионов различных энергий. Анализ этих дан-
ных показал, что приход ионов в диапазоне энергий 10-400 эВ зарегистрирован в тот
же период времени, что и рост ионного тока на зондах Ленгмюра. Существенно, что
фронт зондового тока совпадет с приходом на модуль PDP высокоэнергетических
ионов. Оценка масс частиц показала, что значительную часть приходящих частиц
составляют ионы алюминия, имеющие скорость ~35 км-с"1. Вместе с тем зарегистри-
рованы частицы, масса которых находится в диапазоне от нескольких единиц до не-
скольких десятков масс протона. Возможное объяснение этого эффекта состоит в
том, что частицы приходят с разными скоростями, и среди зарегистрированных ио-
нов могут присутствовать ионосферные ионы кислорода, двигающиеся со скоростью
более низкой, чем фронт струи, или ионы струи, потерявшие энергию на границе
диамагнитной полости.
Сигналы магнитного поля в Инжек-
ции-1 показаны на рис. 3.2.18. На рас-
стоянии 170 м от инжектора плазмы была
зарегистрирована только одна компонен-
та магнитного поля. Несмотря на то, что
в этой ситуации восстановление полного
вектора магнитного поля невозможно,
форма сигнала вариаций поля по A-ком-
поненте демонстрирует рост поля до при-
хода плазменной струи и резкое ослабле-
ние поля в самой струе (кривая 1). На
расстоянии 468 м от инжектора (кривая 2)
рост геомагнитного поля регистрируется
по всем трем компонентам с 2-3 мс. Уси-
ление поля наблюдается на фронте струи
вплоть до момента максимума концентра-
Рис. 3.2.18. Вариации магнитного поля на
расстоянии 170 м (1), модуль магнитного поля на
расстоянии 468 (2) и 1020 м (3) в Инжекции-1
886
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Рис. 3.2.19. Концентрация ионов (1), изменение
магнитного (2) и электрического (3) полей на
расстоянии 468 м от инжектора в Инжекции-1
ции. На 17 мс возникает резкое уменьше-
ние поля, соответствующее появлению
диамагнитной полости. Скорость фрон-
та струи, определенная по началу диа-
магнитного сигнала на участке от ETG-2
до PDP, равна ~25 км-с”1. Наблюдается
практически полное вытеснение поля.
На рис. 3.2.19 показаны совмещен-
ные диаграммы концентрации ионов и
изменения магнитного и электрическо-
го полей на расстоянии 468 м от инжек-
тора. Можно видеть, что длительность
диамагнитного сигнала совпадает с об-
ластью максимальной концентрации
плазмы (/?/> 5-108 см”3). Измерения элек-
трического поля [42] согласуются с дан-
ными магнитных измерений. Электри-
ческое поле генерируется как перед диамагнитной полостью, так и сразу за ней. В
интервале времени, где магнитный зонд показывает полное вытеснение магнитного
поля, электрическое поле равно нулю. Перед фронтом плазмы возникает электриче-
ское поле, связанное с приходом магпитозвуковой волны [42].
На расстоянии 1020 м диамагнитный сигнал наблюдается через 51,7 мс после ин-
жекции. Скорость переднего фронта диамагнитной полости на участке от PDP до
OSP составляет ~16 км-с”1. При этом усиление магнитного поля перед фронтом диа-
магнитной полости не отмечено. По-видимому, это происходит из-за значительного
падения скорости плазмы. Полученные данные по скоростям переднего и заднего
фронтов диамагнитной полости позволяют оценить ее размер вдоль вектора скорости
струи. Он менялся от —100 м на 4-й мс до ~400 м на 60-й мс.
Во втором эксперименте, где плазма инжектировалась в среду естественной плот-
ности, резкое увеличение плотности плазмы на расстоянии 537 м от инжектора соот-
ветствует скорости 34 км-с”1. Максимум ионной концентрации на этом расстоянии
соответствовал ~107см”3. Магнитометр показал небольшое возрастание магнитного
поля, а затем его ослабление не более чем на 5-10”3 Ге. Наименьшую плотность плаз-
мы, которая может вызывать вытеснение магнитного поля, можно оценить из баланса
давлений плазмы и магнитного поля. При электронной температуре в диапазоне
0,5-5 эВ для того, чтобы вызывать полное вытеснение плазмой магнитного поля, не-
обходимо иметь ее плотность 108-109 см”3. Измерения показали, что при плотности
плазмы 106см”3 полное вытеснение магнитного поля действительно не происходит.
Плазма такой плотности способна ослабить поле не более чем на 1%, что и наблюда-
лось в эксперименте. Слабое увеличение магнитного поля перед приходом плазмен-
ной струи обусловлено сжатием плазмы и вмороженного в нее магнитного поля из-за
торможения на фронте вследствие генерации магнитозвуковой волны.
Зонд Ленгмюра, установленный на расстоянии 1595 м от инжектора, зарегистри-
ровал рост ионной концентрации через 6,5 с после инжекции, что соответствует
средней скорости плазмы ~16 км-с”1. Возмущения магнитного поля на этом расстоя-
нии зарегистрированы не были.
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
887
Таким образом, результаты измерений параметров плазменной струи в двух ин-
жекциях показали существенное различие в плотности плазмы на одном расстоянии
от инжектора. В Инжекции-1 концентрация заряженных частиц в струе на расстоя-
нии ~500 м от инжектора была примерно на два порядка выше. Основным различием
двух экспериментов являлась инжекция плазмы в искусственное воздушное облако
при первой инжекции. Естественно предположить, что рост концентрации плазмы в
Инжекции-1 вызван дополнительной ионизацией потока инжектированных атомов
алюминия при столкновениях с нейтральными частицами воздуха в облаке. В то же
время выброс такого количества газа не привел к значительной потере кинетической
энергии струи. На первых 500 м скорости струи при обеих инжекциях примерно оди-
наковы, несмотря на существенно различающиеся концентрации ионов. Следователь-
но, количества нейтрального газа было достаточно, чтобы произвести ионизацию части
струи, но явно недостаточно для ее заметного торможения. Эффект можно объяснить
присутствием в струе большой концентрации нейтрального газа, который увлекает
ионы вязкостью. В таком случае пробег струи на начальной стадии определяется
инерцией не плазмы, а нейтрального газа. Аналогичная ситуация имеет место в маг-
нитогидродинамических генераторах, где электрическая энергия черпается из потока
нейтрального газа, а небольшая примесь заряженных частиц является элементом,
обуславливающим взаимодействие струи нейтрального газа с магнитным полем.
Основной эффект торможения струи плазмы, движущейся поперек магнитного
поля, связан с вовлечением в движение ионосферной плазмы при генерации альве-
новских волн и возникновением при этом продольных токов. Однако в первой ин-
жекции пробег струи оказался значительно больше расчетного. Это связано с тем,
что магнитное поле было практически полностью вытеснено из струи, и следова-
тельно электрическое поле V х В, генерирующее продольные токи, оказалось мало.
Эффект торможения должен был в большей степени проявиться на переднем и зад-
нем фронтах струи, где зарегистрировано поляризационное электрическое поле. На-
блюдения подтвердили это. Во второй инжекции вытеснение магнитного поля было
слабым, и, следовательно, эффект торможения продольными токами должен про-
явиться сильнее. Действительно, на участке от модуля PDP до модуля OSP скорость
падает более чем на порядок величины.
В то же время взаимодействием нейтралов струи и воздушного облака в Инжек-
ции-1 нельзя объяснить высокую концентрацию плазмы на значительных расстояни-
ях от источника. По-видимому, имеет место дополнительный и эффективный меха-
низм ионизации нейтральных атомов струи на участке между модулями ETG-2 и
PDP, т. с. там, куда выброшенный газ не мог поступить за время 0,2 с. Нельзя исклю-
чить вклад механизма ионизации типа альвеновской. Анализ возможности ионизации
газа за счет развития двухпотоковой неустойчивости в условиях эксперимента «Се-
верная звезда» [31] показал, что основные условия протекания такой ионизации вы-
полнены. В то же время расчетный инкремент раскачки неустойчивости оказался
мал, и время развития неустойчивости сравнимо или превышает пролетное время
плазменной струи, поэтому альвеновская ионизация не может быть очень эффектив-
ной. Однако данные оценки носят качественный характер и не учитывают сильное
вытеснение магнитного поля струей в первой инжекции. К тому же, имеется незави-
симое свидетельство нагревания электронов по данным измерений их энергии элект-
888
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
ростатическим анализатором. Таким образом, имеются основания полагать, что в
эксперименте зарегистрирован эффект, получивший название альвеновской иониза-
ции, или эффект критической ионизационной скорости.
По-видимому, одним из наиболее интересных результатов экспериментов являет-
ся сохранение высокой плотности плазмы при ее распространении на значительные
расстояния. Если это обусловлено эффектом критической ионизационной скорости,
то можно отметить, что в отличие от проведенных ранее космических эксперимен-
тов [55-57], где рост концентрации за счет влияния альвеновской ионизации состав-
лял доли или единицы процентов, в эксперименте «Северная звезда» зафиксирован
рост концентрации плазмы не менее чем на порядок величины.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании представленных материалов можно сделать следующие основные
выводы. АЭ в околоземной среде являются эффективным инструментом для решения
многих научных, прикладных и экологических задач. Искусственное возмущение
ОКП вызывает изменение величины и профиля электронной концентрации, ионного
и нейтрального состава, потоков заряженных частиц, температуры, оптических ха-
рактеристик, приводит к генерации и/или возмущению электрических и магнитных
полей, магнитогидродинамических волн, плазменных и токовых неустойчивостей.
Вариации этих параметров взаимосвязаны и зависят от типа источника возмущения,
высоты и места (геомагнитной широты) воздействия, состояния фоновой среды, ге-
лиогеофизических условий. В ряде случаев наблюдаются «триггерные» эффекты,
когда относительно слабое искусственное воздействие вызывает явления в ионосфе-
ре, связанные с освобождением энергии, накопленной в различных структурах маг-
нитосферно-ионосферной системы.
Дальнейшие перспективы развития ионосферных исследований активными мето-
дами связаны с совершенствованием средств АВ и диагностических методик. Эффек-
тивность АЭ может быть существенно повышена при одновременном и согласован-
ном применении различных методов искусственного воздействия и развития назем-
ных измерительный комплексов.
Как показали эксперименты «Флаксус» и «Северная звезда», наибольший успех
может быть достигнут при объединении усилий разных стран и научных сообществ.
Не вызывает сомнения, что дальнейшее развитие активных космических исследова-
ний пойдет именно по этому пути.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мигулин В.В., Жулин И.А. Ионосфера и приземный космос. В кн.: Успехи Советского Союза в иссле-
довании космического пространства. Второе космическое десятилетие 1967-1977. М.: Наука, 1978, с. 106.
2. Авдюшин С.И., Ветчинкин Н.В., Козлов С.И. и др. Программа «Активные» эксперименты и антропо-
генные эффекты в ионосфере: организация, аппаратурно-методическое обеспечение, основные резуль-
таты исследований. Косм, исслед., 1993, т. 31, № 1, с. 3.
3. Козлов С.И., Смирнова Н.В. Методы и средства создания искусственных образований в околоземной
среде и оценка характеристик возникающих возмущений. 1. Методы и средства создания искусствен-
ных возмущений. Космич. исслед., 1992, т. 30, № 4, с. 495.
4. Козлов С.И., Смирнова Н.В. Методы и средства создания искусственных образований в околоземной
среде и оценка характеристик возникающих возмущений. II. Оценка характеристик искусственных
возмущений. Космич. исслед., 1992, т. 30, № 5, с. 629.
ГЛАВА 3.2
АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
889
5. Адушкин В.В., Артемьев В.И., Гаврилов Б.Г. и др. Исследование реакции ионосферы на инжекцию
высокоскоростной плазменной струи в активных геофизических ракетных экспериментах. В сб.: Ди-
намические процессы в геосферах. М.: ИДГ РАН, 1994, с. 271.
6. Козлов С.И., Райзер Ю.П. Оценка коэффициента диссоциативной рекомбинации в нижней ионосфере.
Космич. исслед., 1966, т. 4, с. 574.
7. Елисеев Н.В., Киселев В.А., Козлов С.И. Изменения во времени параметров возмущенной области,
создаваемой в атмосфере импульсным источником ультрафиолетового излучения. Космич. исслед.,
1989, т. 27, вып. 4, с. 883.
8. Зецер Ю.И., Гаврилов Б.Г., Жмайло В.А. и др. Геомагнитные эффекты от расширяющегося плазменно-
го образования высотного ядерного взрыва. Физика горения и взрыва, 2004, т. 40, № 5, с. 31.
9. Библиогр. указ. Воздействие мощным радиоизлучением на ионосферную плазму 1925-1979 гг.; 1979-
1983 гг.; 1983-1985 гг.; 1986-1988 гг. Горький: НИРФИ, 1980, 1983, 1986, 1989.
10. Zetzer J.I., Gavrilov B.G., Kiselev Y.N. et al. The Fluxus-1 and -2 experiment: Investigation of plasma jet dy-
namics and interactions with the ionosphere. Proc. 6th Spacecraft Charging Technology Conference, 1998, p. 13.
11. Erlandson R.A., Meng C.I., Zetzer J.I. Introduction to the North Star active plasma-jet space experiment.
J. Spacecraft Rockets, 2004, v. 41, No 4, p. 481
12. Rosenberg N.W. Chemical releases in the upper atmosphere (Project Firefly). A summary report. J. Geoph.
Res., Special issue, 1963, v. 68, No 10, p. 3049.
13. Альперович Л.С., Гохберг М.Б., Дробжев В.И. и др. Проект Масса - исследование магнитосферно-ат-
мосферных связей при сейсмоакустических явлениях. Изв. АН СССР, Физика земли, 1985, № 11, с. 5.
14. Holmgren D., Bostrom R., Kelley М.С. et al. Trigger and active release experiment that stimulated auroral
particle precipitation and wave emissions. J. Geoph. Res., 1980, v. 85, No 10, p. 93
15. Eliasson J., Jundin R., Holmgren G. Energetic electron enhancements due to the TOR chemical releases. Adv.
Space Res., 1988, v. 8, № 1, p. 93.
16. Козлов С.И., Романовский Ю.А. Искусственная модификация ионосферы в активных экспериментах и
при антропогенных воздействиях. Космич. исслед., 1993, т. 31, № 1, с. 26.
17. Шидловский А.А. Основы пиротехники. М.: Машиностроение, 1964.
18. Милиновский Г.П., Романовский Ю.А., Алпатов В.В. и др. Оптические наблюдения искусственных
облаков в верхней атмосфере. Космич. исслед., 1993, т. 31, № 1, с. 41.
19. Алпатов В.В., Левин Г.Г., Пикалов В.В., Романовский Ю.А. Оптическая томография искусственных
образований в околоземной среде. Космич. исслед., 1993, т. 31, № 1, с. 121.
20. Dcehr С., Romick G. Pulsating aurora induced by upper atmosphere barium releases. Nature, 1977, v. 267, p. 135.
21. Гребнев И.А., Хенкин П.В. Моделирование возмущения магнитного и электрического полей при раз-
лете плазмообразующей смеси в ионосфере. Космич. исслед., 1993, т. 31, № 1, с. 143.
22. Bernhardt Р.А. Artificial comparison of ionosphere depletion chemicals. J. Geophys. Res., 1987, v. 92, No 5,
p. 4617.
23. Гайдуков В.Ю., Кащенко H.B., Моциевский С.В. и др. Исследование стимуляционных характеристик
различных плазмогасящих соединений. Геом. и аэрон., 1991, т. 31, № 6, с. 1074.
24. Козлов С.И. Фотохимия области D ионосферы в условиях искусственной инжекции водорода и воды.
Геом. и аэрон., 1984, т. 24, №5, с. 723. Фотохимия области Д ионосферы в условиях искусственной
инжекции окислов азота. Геом. и аэрон., 1987, т. 27, № 3, с. 383.
25. Винклер Дж.Р. Применение электронных пучков для дистанционного зондирования магнитосферы.
Искусственные пучки частиц в космической плазме. М.: Мир, 1985, с. 13.
26. Педерсон А. Диагностика плазмы с помощью электронных пушек и электрических зондов. Там же, с. 130.
27. Мишин Е.В., Ружин Ю.Я. Пучково-плазменный разряд во время инжекции электронного пучка в ио-
носферу; динамика «зоны разряда» в ракетных экспериментах «АРАКС» и «ЗАРНИЦА-2». Препринт
АН СССР. М., 1978, 52 с.
28. Delamere Р.А., Stenbaek-Nielsen Н.С., Pfaff R.F. et al. Dynamics of the active plasma experiment North Star
artificial plasma jet. J. Spacecraft Rockets, 2004, v. 41, No 4, p. 503.
29. Войтенко A.E. Получение газовых струй большой скорости. ДАН, 1964, т. 158, № 6, с. 1278.
30. Киселев Ю.Н., Самонин К.Л., Христофоров Б.Д. Параметры струи взрывного газового компрессора.
ПМТФ, 1981, №3, с. 75.
31. Гаврилов Б.Г., Зецер Ю.И., Подгорный И.М. и др. Движение плазменной струи поперек геомагнитного
поля в активном геофизическом эксперименте «North Star». Космич. исслед., 2003, т. 41, № 1, с. 33.
890 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
32. Благовещенская Н.Ф. Геофизические эффекты активных воздействий в околоземном космическом
пространстве. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001, 287 с.
33. Friedal К.Н., Hughes F.R.W. Characteristics and frequency of occurrence of Trimpi events recorded during
1982 at Sanae, Antarctica. J. Atmos. Terr. Phys, 1990, v. 52, No 5, p. 329.
34. Борисов Н.Д., Гельфанд O.H., Гуревич А.В. Структура ионизированного слоя в атмосфере. Физика
плазмы, 1983, т. 9, № 5, с. 1047.
35. Борисов Н.Д., Козлов С.И., Смирнова Н.В. Изменение химического состава средней атмосферы при
многократном СВЧ-разряде в воздухе. Космич. исслед., 1993, т. 31, № 2, с. 284.
36. Amoldy R.J., Kinitner P.M. Rocket observations of the precipitation of electrons by ground VLF transmitters.
J. Geophys. Res., 1989, v. 94, No 6, p. 6825.
37. Gavrilov B.G., Podgomy I.M., Sobyanin D.B. et al. Particles, electric and magnetic field measurements in
«North Star» plasma jet experiment. J. Spacecraft Rockets, 2004, v. 41, No 4, p. 490.
38. Гаврилов Б.Г., Зецер Ю.И., Подгорный И.М. и др. Взаимодействие плазменной струи с геомагнитным
полем в геофизических ракетных экспериментах «Флакус-1» и «Флакус-2». Космич. исслед., 2000,
т. 38, №3, с. 244.
39. Киселев Ю.Н., Крохин В.З. Малоинерционные пироэлектрические приемники для регистрации излу-
чения в диапазоне 40-1100 нм. Журнал прикладной механике и технической физики, 1976, № 4, с. 151.
40. Lynch К.A., Turbert R.B., Chutter М. et. al. Active plasma experiment: North Star particle data. J. Spacecraft
Rockets, 2004, v. 41, No 4, p. 496.
41. Carlson C.W., McFadden J.P., Turin A. et al. The electron and ion plasma experiment for FAST. Space Sci-
ence Reviews, 2001, v. 98, No 4, p. 33.
42. Pfaff R.F., Bonds S.R., Freudenreich H.T. et al. Electric field, magnetic field, and plasma density measure-
ments on the active plasma experiment (APEX) sounding rocket. J. Spacecraft Rocket, 2004, v. 41, No.4, p. 521.
43. Ergun R.E., Carlson C.W., Mozer F.S. etal. The FAST satellite fields instrument. Space Science Reviews,
2001, v. 98, No 1, p. 67.
44. Экологические проблемы и риски воздействия ракетно-космической технике на окружающую природ-
ную среду. Под ред. АдушкинаВ.В., Козлова С.И. и Петрова А.В. М.: Анкил, 2000, 640 с.
45. Войтенко А.Е. Ускорение газа при его сжатии в условиях остроугольной геометрии. ПМТФ, 1961,
№4, с. 112.
46. Киселев Ю.Н., Рождественский В.Б., Романов Г.С. и др. Исследование высокоскоростных воздушных
струй взрывного плазменного генератора. ПМТФ, 1986, № 4, с. 22.
47. Адушкин В.В., Зецер Ю.И., Зотов Н.И., Киселев Ю.Н., Христофоров Б.Д., Юрьев В.Л., Поклад Ю.В.
Способ возмущения ионосферы и устройство для его осуществления. Патент России на изобретение
№ 2144685 от 20.01.2000, действует с 5.02.1993.
48. Белоцерковский М.Б., Гурвич А.В., Евтушевский А.М. и др. Ионосферные эффекты при инжекции
высокоскоростной кумулятивной воздушно-плазменной струи. Космич. исслед., 1993, т. 31, № 2, с. 32.
49. Адушкин В.В., Зецер Ю.И., Киселев Ю.Н. и др. Активные геофизические ракетные эксперименты с
инжекцией высокоскоростной плазменной струи в ионосфере. ДАИ, 1993, т. 331, № 4, с. 486.
50. Адушкин В.В., Зецер Ю.И., Гаврилов Б.Г. и др. Активные эксперименты «Флаксус-1,2»: исследование
взаимодействия плазменной струи с геофизической средой на высоте 140 км. ДАН, 1998, т. 361, № 6, с. 818.
51. Gavrilov B.G., Erlandson R.E., Kiselev Y.N. etal. Dynamics of high energy plasma jet in the space: In situ
experiment and laboratory simulation. Adv. Space Res., 1998, v. 21, No 5, p. 773.
52. Киселев Ю.Н., Гаврилов Б.Г., Зецер Ю.И. и др. Радиационные характеристики и динамика области
взаимодействия высокоскоростной струи с ионосферной в геофизических ракетных экспериментах
«FLUXUS». В сб.: Динамические процессы в геосферах под действием внешних и внутренних потоков
энергии и вещества (Геофизика сильных возмущений). М.: ИДГ РАН, 1998, с. 181.
53. Erlandson R.E., Swaminathan Р.К., Meng C.-I. et al. Observation of auroral emissions induced by artificial
plasma jets. Geoph. Res. Lett., 1999, v. 26, No 11, p. 1553.
54. Зецер Ю.И., Козлов С.И., Рыбаков В.А. и др. Свечение в видимом и инфракрасном диапазонах спектра
возмущенной верхней атмосферы в условиях инжекции высокоскоростной плазменной струи. I. Экс-
периментальные данные. Космич. исслед., 2002, т. 40, № 3, с. 252.
55. Lion К., Torbcrt R.B., Haerendel G. Momentum coupling in the «Crit 11» critical ionization velocity experi-
ment. J. Geophys. Res., 1996, v. 101, No A9, p. 19649.
56. Haerendel G. Alven’s critical velocity effect tested in space. Z. Naturforsch., 1982, A. 37, p. 728.
57. Haerendel G., Kelley M., Pfaff R. Electric field measurements during the Condor critical velocity experiment.
J. Geophys. Res., 1986, v. 91, p. 9939.
ГЛАВА 3.3
АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ СРЕДЕ:
МЕТОДОЛОГИЯ, АППАРАТУРА, РЕЗУЛЬТАТЫ
Авдюшин С.И., Алпатов В.В., Ветчинкин Н.В., Романовский Ю.А.
Институт прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова Росгидромета
Список сокращений
АЛВ альвеновские волны
АС астрофизическая станция
АЭ активные эксперименты
ДУ двигательная установка
ИАР ионосферный альвеновский резонатор
ИМОС искусственная модификация
околоземной среды
ИО искусственное образование
ИПО искусственное плазменное образование
КА космический аппарат
НИС научно-исследовательское судно
ОКП околоземное космическое пространство
ОНЧ очень низкочастотные
НРТ неустойчивость Рэлея-Тейлора
ВВЕДЕНИЕ
Методология проведения активных экспериментов (АЭ) сложилась на опыте ра-
кетных и спутниковых экспериментов, осуществленных в свое время в мире и в
СССР.
Основные исследования в СССР с использованием АЭ были выполнены в рамках
комплексной программы «Активные эксперименты и антропогенные эффекты в ио-
носфере». В реализации программы принимали участие научно-исследовательские
организации Академии наук, высшей школы и ряда отраслевых министерств. Науч-
ное руководство и организацию работ по программе осуществлял ИПГ им. академика
892
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Е.К. Федорова. В рамках этой программы был реализован обширный комплекс ракет-
ных экспериментов, а также ряд экспериментов на космических аппаратах (КА).
Основу экспериментальной программы составили АЭ с инжекцией газодисперс-
ных смесей, плазмообразующих составов и пучков частиц, проведенные с использо-
ванием ракет МР-12 и МР-20 на среднеширотном полигоне и на научно-исследова-
тельских судах (НИС) «Профессор Визе» и «Профессор Зубов» в различных районах
земного шара - в экваториальной и авроральной областях, а также в области Бра-
зильской геомагнитной аномалии. Это обстоятельство позволило исследовать специ-
фику искусственной модификации околоземной среды (ИМОС) в областях, обла-
дающих рядом аномальных особенностей по отношению к среднеширотной ионо-
сфере.
Программа исследований ИМОС была реализована в виде нескольких экспери-
ментальных проектов.
Ракетные эксперименты:
• проект «Искусственные облака», предназначенный для исследования ИМОС
при создании искусственных облаков в результате инжекции плазмообразую-
щих и плазмогасящих составов с использованием генераторов различного типа;
• проект «Аэлита», в рамках которого изучалась ИМОС при инжекции мощных
стационарных и модулированных плазменных струй;
• проект «Ариэль», в котором исследовались особенности ИМОС при импульс-
ной инжекции мощных плазменных сгустков;
• проект «Вертикаль», посвященный изучению фотохимических процессов, про-
текающих при инжекции нейтрального газа в атмосферу.
В общей сложности в рамках программы было осуществлено 36 экспериментов на
ракетах МР с созданием искусственных образований (ИО) в ионосфере и 24 экспери-
мента с инжекцией плазмы. Проведение однотипных в аппаратурно-методическом от-
ношении экспериментов позволило получить однородные и сопоставимые массивы
данных по особенностям ИМОС в различных геофизических условиях и областях.
Основная часть ракетных экспериментов была осуществлена на исследователь-
ском полигоне, созданном на базе средств ракетного зондирования атмосферы в
п. Капустин Яр. Комплексные исследования процессов и явлений в областях искус-
ственной модификации проводились с использованием прямых контактных, а также
дистанционных оптико-радиофизических методов с привлечением аппаратурных
комплексов, располагавшихся как на территории исследовательского полигона, так и
за его пределами. В результате были получены экспериментальные данные, необхо-
димые для анализа физики ИМОС.
Программа спутниковых экспериментов включала:
• исследования эволюции искусственных ионных облаков на высотах 400-500 км
в экспериментах по американскому проекту CRRES;
• наблюдения искусственного дисперсного облака, созданного с борта станции
«Мир» в эксперименте «Болид»;
• наблюдения искусственного газодисперсного облака в эксперименте «Мираж»
на ИСЗ «Космос-1809»;
• диагностику эффектов, вызванных воздействием на ионосферу мощного КВ-из-
лучения, на спутнике «Космос-1809» [1].
ГЛАВА 3.3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...893
Результаты спутниковых экспериментов существенно дополнили данные ракет-
ных, поскольку в условиях экспериментов на КА (высокая скорость, большие высоты)
при создании ИО возникают эффекты, которые не могут существовать в ракетных
экспериментах.
3.3.1. Особенности методологии и аппаратурного обеспечения
при проведении активных экспериментов
Для обеспечения исследований ИМОС были разработаны методики и аппаратур-
ные комплексы, обеспечивающие получение экспериментальных данных, которые
необходимы для изучения различных научных и прикладных аспектов ИМОС. Эти
работы включали:
• разработку методов и бортовых аппаратурных комплексов для ИМОС при ин-
жекции в ионосферу с борта ракет и спутников газодисперсных смесей, плазмы
и пучков заряженных частиц;
• разработку методов и аппаратурных комплексов для прямых измерений ло-
кальных возмущений при ИМОС и дистанционной оптико-физической диагно-
стики ИМОС;
• проведение лабораторных и стендовых измерений параметров инжектируемых
газодисперсных смесей плазмы и пучков частиц;
• осуществление широкомасштабной программы экспериментальных исследова-
ний ИМОС на ракетах и спутниках в различных районах земного шара.
При этом была разработана базовая методология создания и исследования облас-
тей ИМОС, которая может быть положена в основу предполагаемого дальнейшего
развития данного научного направления.
Остановимся на некоторых особенностях этой базовой методологии.
Значительная пространственная и временная изменчивость параметров искусст-
венно модифицированной среды предъявляет ряд специфических требований к аппа-
ратурно-методическому обеспечению экспериментов, основные из которых состоят в
следующем:
• необходимость комплексных локальных (непосредственно в области воздейст-
вия и вблизи нее) контактных измерений различных параметров среды в соче-
тании с дистанционными наблюдениями и измерениями области возмущения в
ближней и дальней зонах;
• обеспечение многопозиционных измерений, как непосредственно в зоне воз-
действия, характеризующейся значительными пространственными градиента-
ми параметров среды, так и в областях, в которых происходит релаксация и
распространение возмущений;
• применение высокоскоростной многоканальной аппаратуры для параллельных
измерений быстро изменяющихся характеристик возмущенной среды;
• разработка методов реконструкции областей ИМОС с использованием данных
комплексных исследований;
• обеспечение автоматизированной обработки и комплексного анализа результа-
тов экспериментальных исследований.
894
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Сформированный подход к аппаратурно-методическому обеспечению экспери-
ментов был осуществлен при создании специального полигона для исследования
ИМОС на базе станции ракетного зондирования в п. Капустин Яр.
С учетом конкретных задач отдельных групп экспериментов было разработано
несколько типов унифицированных диагностических модулей и головных частей
ракет МР-12 и МР-20, которые оснащались бортовыми генераторами, инжекторами и
диагностической аппаратурой. Для изучения пространственно-временных эффектов
при ИМОС было создано несколько вариантов методики ракетных экспериментов.
Так, в первом варианте для обеспечения локальных пространственных измерений
параметров ИМОС проводилось отделение источника возмущения (пиротехнических
генераторов или плазменных ускорителей) от ракеты вперед по направлению ее дви-
жения. При достижении заданного расстояния (10-500 м) производилось включение
ускорителя или срабатывание генератора.
В другом варианте методики от ракеты вперед по движению отделялся дополни-
тельный диагностический блок, оснащенный телеметрической системой, а источник
возмущения находился на борту ракеты с системой телеметрии. При этом произво-
дились измерения параметров возмущенной среды в двух областях - непосредствен-
но в области воздействия и на различных расстояниях от нее.
В третьем варианте методики от ракеты с источником воздействия отделялись ди-
агностические модули с автономными телеметрическими системами: один по на-
правлению движения и два перпендикулярно ему, противоположно друг другу. При
этом осуществлялась чстырехпозиционная диагностическая схема, которая обеспе-
чивала пространственную диагностику области возмущения.
Наземные диагностические средства
Наземные диагностические средства предназначены для определения пространст-
венно-временных параметров и оптико-радиофизических характеристик ИМОС.
Изучение оптических характеристик ИМОС требует осуществления ряда прин-
ципиальных требований при разработке аппаратуры и методики наблюдений, та-
ких, как:
• обеспечение комплексных измерений (телевизионных, спектральных, фотомет-
рических), так как только сочетание различных методов дает возможность по-
лучить достоверные данные о спектрально-яркостных параметрах двумерных
изображений ИМОС;
• проведение многопозиционных (не менее трех пунктов) наблюдений ИМОС;
• создание методики компьютеризованной комплексной обработки результатов
оптических наблюдений, которая позволяла, с одной стороны, формализовать и
объективизировать процесс обработки, а с другой стороны, - использовать но-
вые методы анализа и реконструкции ИМОС;
• проведение комплексного анализа результатов наблюдений и модельных оце-
нок ИМОС для разработки и коррекции оптической модели, позволяющей ис-
следовать процессы, определяющие структуру, динамику и свечение ИМОС, а
также прогнозировать оптические характеристики ИМОС на разных этапах
эволюции.
ГЛАВА 3.3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...895
Особенности наблюдений ИМОС предъявляют ряд специфических и иногда вза-
имно исключающих требований к диагностической аппаратуре. К основным требо-
ваниям необходимо отнести следующие:
• высокая чувствительность (1-10 релей для спектрофотометров и 10"7 лк для те-
левизионной аппаратуры);
• значительный динамический диапазон (105-107);
• высокая контрастная чувствительность (не менее 0,1);
• высокое быстродействие с учетом начальной стадии образования ИМОС
(0,02-0,1 с);
• хорошее пространственное разрешение при малой интенсивности излучения.
Сочетание указанных требований при регистрации ИМОС определяет необходи-
мость включения в состав комплекса различной аппаратуры, дополняющей друг дру-
га при проведении наблюдений. Для наблюдений ИМОС и измерений оптических
характеристик было разработано несколько типов оптических комплексов, в частно-
сти стационарный базовый и мобильные выносные.
Одним из важных моментов оптических наблюдений ИМОС является система ка-
либровки данных наблюдений, которая позволяет получать количественные данные
по свечению области ИМОС в различных диапазонах спектра на разных стадиях эво-
люции. Конечная цель калибровки оптического комплекса - получение спектрально-
яркостных двумерных изображений области ИМОС, представляемых в энергетиче-
ских (потоковых) параметрах.
Для комплексной диагностики ИМОС обычно использовались также специально
разработанные и штатные радиофизические методы и средства, в том числе:
• автоматическая ионосферная станция вертикального зондирования;
• комплексы наклонного зондирования с различными расстояниями и углами
между приемно-передающими средствами;
• комплексы возвратно-наклонного зондирования;
• многочастотные доплеровские комплексы вертикального и наклонного зонди-
рования;
• метеорные радиолокаторы;
• радиолокационные станции (f =1,7 ГГц);
• приемно-передающие комплексы УКВ-диапазона (до 900 МГц);
• аппаратура для приема сигналов ракетных радиомаяков и определения полного
содержания электронов на трассе радиозондирования.
3.3.2. Результаты исследований околоземного космического пространства
З.З.2.1. Динамика крупномасштабных долгоживущих искусственных плазменных
образований
Одним из интересных эффектов при проведении АЭ в околоземном космиче-
ском пространстве (ОКП) является создание долгоживущих искусственных плаз-
менных образований (ИПО) при инжекции химически активных плазмообразующих
веществ и мощных ионных выбросов. Одним из классических примеров создания
такого рода ИПО являются выбросы плазмообразующих веществ в экспериментах по
896
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
проекту «CRRES», а другим - ракетный эксперимент «Контраст», осуществленный с
борта НИС.
Искусственное бариевое облако создано 12.08.1991 г. в 09:31.21 UT путем инжек-
ции 6,6 кг бариевой смеси с ИСЗ CRRES в ионосферу на высоте h = 507 км в точке с
координатами 9,13° с. ш., 63,5° з. д. (L = 1,21). Описываемые ниже наблюдения осу-
ществлялись на борту НИС «Профессор Зубов» в точке с координатами 11,5° с. ш.,
63,7° з. д. на расстоянии 265 км от проекции точки инжекции на поверхность Земли.
Аппаратурный комплекс, с помощью которого были получены данные по ИО,
включал: телевизионный комплекс с электронно-оптическим преобразователем для
наблюдения слабосветящихся образований в верхней атмосфере [2, 3], многочастотный
комплекс вертикального доплеровского зондирования и ионосферную станцию вер-
тикального зондирования [4]. Помимо этого, начальная фаза образования ИО наблю-
далась с борта самолета, который во время эксперимента находился на расстоянии
около 1800 км от точки образования ИО. Для наблюдения ИО на самолете использо-
вались высокочувствительные телевизионные комплексы и фотоаппаратура.
Во время эксперимента проводилось радиофизическое зондирование ионосферы с
использованием ионосферной станции и комплекса многочастотного вертикального
доплеровского зондирования. По данным ионосферной станции заметных особенно-
стей ионограмм, связанных с образованием ИО, обнаружено не было. В то же время с
помощью многочастотного доплеровского комплекса были зарегистрированы дли-
тельно существующие аномальные сигналы, обусловленные созданием ИО.
Доплеровское зондирование осуществлялось на восьми фиксированных частотах
в диапазоне 3,4-8,7 МГц. Критическая частота fQF в 08, И и 14 ч UT составила 7,1,
6,7 и 11,2 МГц соответственно. До момента инжекции на частотах /7, /8 отражен-
ных сигналов от ионосферы не наблюдалось, так как /7, /8 > fQF. Отраженные от
регулярной ионосферы сигналы на частотах /1,/6 имели время запаздывания в пре-
делах 1,7-3,0 мс. Спустя приблизительно 10 мин после инжекции и до конца сеанса
10:14.30 10:27.14 10:58.33 11:15.33 11:28.20 11:59.16 11:59.50 13:11.38
0 2 -2 6 2 ' -2 6 2 -2024-2624-161-2624 -202
Время, UT
Рис. 3.3.1. Пример доплерограммы на частоте зондирования
/5 = 7,8 МГц (/б < JoFty и доплеровские спектры
(верхняя часть рисунка, частоты указаны в Гц)
ГЛАВА 3.3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...897
наблюдений (вплоть до 14 часов) были зафиксированы диффузно-отраженные сигна-
лы на частотах /7,/8 > fQF с большими временами запаздывания (6-8 мс), что, по-
видимому, соответствует отражениям от ядра искусственной ионозированной облас-
ти. Пример доплерограммы на частоте зондирования /6 = 7,8 МГц показан на
рис. 3.3.1, где F - доплеровское смещение частоты. Здесь же приведены доплеров-
ские спектры для характерных моментов времени после создания плазменного об-
лака. Видно, что, во-первых, первая реакция на инжекцию на /6 наблюдается в
10:27 UT (т. е. спустя 56 мин после инжекции); во-вторых, имеет место слоистая
структура спектра плазменных возмущений; в-третьих, спектры имеют шумовой ха-
рактер, наибольшие размытия которых охватывают более 6 Гц (от -2 до +4 Гц).
Исследование динамики доплерограмм на 4-х частотах показало, что начало
регистрации отраженных от ИО сигналов на разных частотах смещается во времени.
В частности, при f < foF по мере уменьшения высоты отражения (несущей частоты)
время запаздывания сигналов от ИО возрастает. Анализ данных доплеровских изме-
рений с учетом геометрии эксперимента позволил сделать следующие оценки:
• максимальная концентрация ИО превышает 108 см-3;
• скорость опускания модифицированной области ниже максимума слоя F сос-
тавляет 7-9 м-с"1.
Таким образом, результаты доплеровских измерений показывают, что за время
наблюдений происходило формирование плазменной неоднородности в ионосфере в
F-области и постепенное ее опускание до высот 250-300 км. Другая особенность до-
плеровских измерений - регистрация широкополосных доплеровских спектров - ука-
зывает на возникновение неоднородной структуры ИО, которая может развиваться
одновременно по всей толще возмущенной области.
В тот же день 12.08.1991 г. в период вечерних сумерек при высоте тени 100 км с
помощью телевизионной аппаратуры было зафиксировано светящееся образование,
вытянутое вдоль силовых линий геомагнитного
поля. Облако регистрировалось в течение 22 ми-
нут вплоть до захода Солнца на высоте облака.
Изменения наблюдаемых размеров облака, свя-
занные с подъемом тени, и движение облака по
небесной сфере во время наблюдений схемати-
чески показаны на рис. 3.3.2.
По данным увеличения высоты нижнего края
облака со временем (рис. 3.3.2) были определе-
ны точки пересечения луча зрения с плоскостью
земной тени и, следовательно, с силовой труб-
кой геомагнитного поля, на которой находилось
облако. Такое рассмотрение позволило опреде-
лить положение силовой линии и высоту ниж-
него и верхнего края облака. Рассчитанная вы-
сота для верхнего края облака составила около
330 км, для нижнего - 240 км, что соответствует
высотам положения ИО, зарегистрированным
доплеровской установкой. Координаты области
Рис. 3.3.2. Проекции положения
наблюдаемого ИО на небесную сферу
в период вечерних сумерек 12.08.1991 г.
Цифрами указано время наблюдений (UT)
898
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Рис. 3.3.3. Изображение бариевого
облака, зафиксированное через 14 ч
силовой линии, на которой находилось облако:
15,8° с. ш., 67,1° з. д. (L = 1,2). Дрейф облака во
время наблюдений происходил на восток со
средней скоростью 60 м-с-1, что соответствует
электрическому полю Е = 2,3 мВ-м-1, направ-
ленному перпендикулярно магнитному. По
данным оптических наблюдений [5] была про-
ведена оценка яркости ИО, которая соответст-
вовала концентрации ионов бария в центре
облака 102см-3. Приближенная оценка полно-
го количества ионов бария в наблюдаемом
облаке дала значение 1022 ионов. На рис. 3.3.3
представлено изображение бариевого облака,
зафиксированное через 14 ч после инжекции.
В эксперименте «Контраст» в августе 1991 г. в вечерних сумерках с НИС была
запущена ракета с инжекцией 1 кг паров бария на высоте 224 км. Нейтральный барий
быстро ионизовался, и через несколько минут ионное облако вытянулось вдоль маг-
нитного поля и начало двигаться на восток. Вечером облако наблюдалось примерно
28 мин. К концу наблюдений его размеры составляли несколько десятков километров
в высотном диапазоне 200-300 км, скорость движения равнялась примерно 50 м-с-1.
Исключительный результат был получен в начале следующего дня, более чем через
10 часов после инжекции. Облако было обнаружено визуально и потом регистриро-
валось телевизионными устройствами в течение более 40 мин до восхода Солнца.
Уже после первых минут наблюдения облако имело стратифицированную структу-
ру, причем некоторые его структуры были непараллельны друг другу. Предполо-
жительно деформация облака может быть вызвана как вариациями в угле наблюде-
ния, так и различием в характере движения отдельных структур облака. Последнее,
возможно, вызывается неоднородностью электрического поля в ионосфере во время
периода наблюдения. Наблюдаемое облако двигалось в северо-восточном направле-
нии. Измерения показали, что средняя напряженность электрического поля к геомаг-
нитному востоку была 7 мВ-м-1, вдоль магнитного поля по направлению вниз - около
1,5 мВ-м-1. Скорость дрейфа составляла около 200 м-с-1. Для географической облас-
ти, где проводился эксперимент, указанное электрическое поле является довольно
высоким и должно сильно изменять структуру фоновой ионосферы, что может, в част-
ности, проявиться в увеличении высоты максимума Т^-слоя.
Таким образом, данные оптических наблюдений указывают на длительное (не ме-
нее 14 часов) существование ИО в низкоширотной ионосфере. Результаты спутнико-
вого и ракетного экспериментов позволяют предположить, что в низкоширотной ио-
носфере имеются условия для поддержания выделенных плазменных неоднородно-
стей, какими являются ИО. В случае создания крупномасштабных бариевых ионных
облаков в эксперименте «CRRES» их длительное существование обусловлено малы-
ми скоростями рекомбинации и спецификой фотохимических процессов с участием
ионов бария, а также тем обстоятельством, что диффузионное расплывание вытяну-
тых крупномасштабных ИО определяется преимущественно медленной поперечной
диффузией ионов бария [6].
ГЛАВА 3 3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...899
3.3.2.2. Формирование неоднородной структуры ИПО
В экспериментах по созданию ИПО в ионосфере методом инжекции плазмообра-
зующих смесей, содержащих пары бария, часто наблюдается сложная картина разви-
тия неоднородностей, сопровождающаяся пространственным разделением нейтраль-
ного и ионизированного компонентов и дальнейшей стратификацией последнего
[7, 3, 8, 9]. При этом механизмы эволюции обоих компонентов на различных стадиях
развития неоднородностей изучены достаточно подробно [10, 11], однако механизм
стратификации ионизированного компонента еще окончательно не ясен во многом
из-за недостаточности наблюдательных данных о процессах развития стратифика-
ции [9, 12]. Приведем некоторые результаты и их интерпретацию для серии экспери-
ментов с инжекцией паров бария в диапазоне высот 150-200 км, выполненных в
1988-1990 гг. Исследования проводились с помошью высокочувствительного опти-
ческого диагностического комплекса [3].
На рис. 3.3.4 показаны изображения стратифицированного ИПО для эксперимен-
та, проведенного во время вечерних сумерек На кадре 1 видно квазисферическое
нейтральное облако и начальная стратификация ионного облака. На кадрах 2 и 3
представлено развитие стратификации ионного облака. Размер области, занимаемый
стратами на первом кадре, - 5,5 км, а на втором - 17,5 км. Время наблюдения стра-
тификации составило 25 мин.
По наблюдениям в экспериментах можно выделить характерные особенности тон-
кой структуры стратификации ионного компонента ИПО. Стратификация происхо-
дит на переднем крае ионного сгустка с отходом страт в направлении дрейфа сгустка
в скрещенных Е х В полях.
Ориентация отдельных плазменных волокон с точностью 1° совпадает с направле-
нием силовых линий геомагнитного поля. Характерные размеры страт тонкой струк-
туры: диаметр 100-200 м, длина 20-25 км (параметр вытянутости а = Ыб/>200)
Оценка концентрации ионов в отдельных стратах по фотометрическим измерениям
дает величины (0,5-1)-106 см-3
Скорости движения отдельных страт существенно различаются в зависимости от
яркости и расположения в стратифицированной ионной структуре. Так, крайняя стра-
та движется со скоростью 100 м-с"1, в то время как внутри структуры скорости страт
составляют 80-95 м-с"1 в системе координат, связанной с поверхностью Земли.
По результатам триангуляционных измерений движения ионного сгустка и от-
дельных страт с учетом влияния нейтрального ветра (его скорость измеряется по дви-
жению нейтрального облака) расчетным путем была определена величина напряжен-
ности внешнего электрического поля, составившая 4,8 мВ-м"1.
Рис. 3.3.4. Изображения стратифицированного ИПО в вечерние сумерки
900 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Следует отметить, что концентрация ионов в основном сгустке значительно пре-
вышает концентрацию ионов в отдельных стратах (по оценкам более 107 см-3 в сгу-
стке и менее 106см"3 в стратах), вследствие чего величина напряженности фонового
электрического поля по движению ионного сгустка оказывается равной Е = 2,2 мВ-м"1.
Сравнив эти две величины, можно оценить степень возмущенности электрического
поля, вносимой ионным сгустком, которая оказывается равной 45%.
В целом, развитие ионного компонента до начала стратификации хорошо согла-
суется с картиной дрейфового расплывания плазменной неоднородности и описыва-
ется физическими моделями, разработанными в [10-14]. Эволюцию ионных облаков
в экспериментах можно интерпретировать как случай промежуточной нелинейности,
на что указывают и оценки концентрации ионов бария в неоднородностях (в ионном
сгустке в момент разделения ионного и нейтрального облаков и в отдельных стра-
тах). Концентрация ионов значительно превышает фоновую (5-104 см-3 [15]), но не
настолько, чтобы внешнее электрическое поле Е внутри ионного облака было полно-
стью скомпенсировано возмущенным электрическим полем - для этого необходимо
более значительное превышение плотности инжектированной плазмы над фоновой
[16]. Инжектированные ионы двигались в скрещенных ЕхВ полях, скорость и на-
правление движения облака ионов не совпадали со
скоростью и направлением движения нейтрального
облака.
При наблюдениях стратификации ИО в проведен-
ных ракетных экспериментах был зарегистрирован ряд
важных, ранее не рассматривавшихся особенностей.
1. Существование хорошо выраженной высотной
границы возникновения стратификации, которая соот-
ветствует h= 150-160 км. Данный эффект иллюстри-
руется рис. 3.3.5, на котором приведены фотографии
пяти ИО. В облаках 1-4, расположенных на высоте
165-185 км, стратификация развивается по одной схе-
ме: на западной границе ИО формируется цепочка
страт, постоянно дрейфующих на запад, в 5-м облаке
на h < 160 км стратификация не развивается совсем.
2. По данным радиофизических измерений резкий
(«катастрофический») характер развития неоднород-
ностей происходит за t < 30 с и наблюдается в широ-
ком диапазоне частот зондирующего излучения [17].
3. За время жизни ИО происходит возникновение
супертонкой структуры - мелкомасштабных неодно-
родностей с малым временем жизни (г< 10-60 с) с
поперечными размерами от 100-150 м, разрешаемыми
оптическими методами [18], до 10-30 м, измеряемы-
ми радиофизическими средствами.
4 В условиях спутниковых экспериментов на
h = 400-500 км тонкая структура развивается в мень-
Рис. 3.3.5. Изображения пяти
ИО, созданных в диапазоне
высот 154-185 км
ГЛАВА 3.3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...901
шей степени и возникает только в наиболее плотной части ИО вблизи области ин-
жекции. В отдельных случаях в разреженной части ИО впервые наблюдались круп-
номасштабные волновые структуры с характерным размером 10-30 км и временем
жизни не менее 20-30 мин, связанные, по-видимому, с распространением переме-
щающихся ионосферных возмущений [2, 20].
Обнаруженные в ракетных экспериментах особенности в развитии тонкой струк-
туры ИО (высотная зависимость явления стратификации, быстрые вариации неодно-
родностей) могут быть объяснены различного типа неустойчивостями в ИО.
Искусственная модификация ионосферы при инжекции плазмы и плазмообра-
зующих составов сопровождается нелокальными процессами, имеющими различный
характер и масштаб. К числу основных из них, которые были исследованы в прове-
денных экспериментах, относятся следующие:
• генерация волновых явлений в верхней атмосфере и перемещающихся возму-
щений в ионосфере [20, 21, 22];
• возбуждение МГД-волн и эффектов, связанных с их распространением [23, 24];
• совокупность явлений, связанных с дистанционным воздействием электромаг-
нитных излучений, которые возбуждаются при локальных воздействиях, на вы-
сыпание захваченных частиц из радиационных поясов Земли [25-27];
• генерация интенсивных высокоскоростных плазменных потоков вдоль силовых
линий геомагнитного поля и образование крупномасштабных ионосферно-
плазмосферных неоднородностей [2, 19];
• процессы, приводящие к стимулированному возрастанию и генерации пульса-
ций потоков энергичных электронов в авроральной ионосфере (авроральный
«триггер») [23, 24];
• процессы, вызывающие стимулированное развитие неустойчивости Рэлея-
Тейлора (НРТ) в экваториальной ионосфере («экваториальный триггер»)
[20, 28-32].
3.3.2.3. Экспериментальные исследования искусственно модифицированной
авроральной ионосферы
Один из возможных механизмов развития высыпания авроральных электронов в
начальной фазе суббури - генерация альвеновских волн (АЛВ), заканчивающаяся
развитием около вершины ионосферного альвеновского резонатора (ИАР) интенсив-
ной плазменной турбулентности и продольных электрических полей, вызывающих
ускорение электронов [33]. Поскольку для проверки этого механизма развития суб-
бури в авроральной ионосфере может использоваться искусственная генерация АЛВ,
в рамках программы «Авроральный триггер» был выполнен ряд активных ракетных
экспериментов с выпусками плазмообразующих веществ, приводящих к генерации
АЛВ и возбуждению ИАР (табл. 3.3.1) [23, 34]. Результаты экспериментов также про-
яснили некоторые основные особенности триггерных явлений и процессов в искусст-
венно измененной авроральной ионосфере после химического выпуска [35].
Ракетные эксперименты были выполнены на НИС, находившихся в Норвежском
море в авроральной области (L = 6,0-6,2). Пиротехнические цезиевые и бариевые
генераторы, выброшенные с ракет МР-12 и МР-20, были взорваны на расстоянии
902
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Таблица 3.3.1
Данные по экспериментам программы «Авроральный триггер»
Экспе- римент Дата проведения Время запуска, UT Координаты Высота выпуска, км Выпуски компонента
с. ш. з. д. Масса, кг Вещество
АТ-1 11.03.1982 19:35 68°14' 0°02' 156 9 Cs
АТ-2 27.08.1983 21:00 68°05' 0°17' 160 9 Cs
АТ-3 16.09.1990 20:00 67°54' 0°10' 191 14 Ва
300-400 м перед ракетой на высотах 155-190 км. Скорость расширения газо-
плазменного облака равнялась 1,0-1,2 км-с-1. Ракеты были запущены в оптимальных
геофизических условиях, которые определялись на основе модельных оценок и пред-
варительных наблюдений ионосферы в экспериментальных пунктах [24]. Эти усло-
вия включали:
• расположение точки запуска по направлению к полюсу плазмопаузы;
• слабо или умеренно возмущенное геомагнитное поле и ионосферу;
• запуски ракет в северо-западном направлении, соответствующем конвек-
ции плазмы и направлению перемещения АЛВ во время эксперимента
(19:00-21:00 UT).
Диагностика явлений, вызванных выпусками плазмообразующих веществ, была
выполнена с использованием приборов на борту ракеты и корабельных оптических
и радиофизических средств. Комплекс ракетной бортовой измерительной аппара-
туры включал: ионный и нейтральный масс-спектрометры (два поддиапазона 10-47 и
30-160 а. е.); спектрозонд, измерявший квазипостоянное электрическое поле (0-20 Гц)
и переменную составляющую электрического поля в 10-частотных измерительных
каналах от 35 Гц до 18 кГц; спектрометр электронов, имевший два мониторных кана-
ла на энергиях 1 и 5 кэВ; счетчик Гейгера, измерявший интегральный поток элект-
ронов с энергиями более 40 кэВ; датчик магнитного поля с двумя компонентами
(параллельно оси ракеты и перпендикулярно ей).
С борта НИС наблюдения велись с помощью ионосферной станции вертикального
зондирования и оптических средств. Условия в ионосфере перед пусками ракет были
близки к пороговым, соответствующим развитию суббурсвых явлений [33], что ука-
зывало на возможность возникновения триггерных эффектов при проведении экспе-
риментов [23].
Газодинамические и аэрономические процессы в ионосфере, сопутствующие вы-
пускам, представлены в [36]. Здесь рассмотрим явления, относящиеся только к измене-
ниям прямых электрических полей, флуктуаций ОНЧ £-полей и потоков электронов.
Коррелированные воздействия этих параметров наблюдались в каждом из экспе-
риментов, указанных в табл. 3.3.1. Некоторые эффекты, обнаруженные в эксперимен-
те АТ-3, рассмотрены в [23, 37]. Приводимые ниже данные поясняют характер ионо-
сферных возмущений, вызванных инжекцией плазмообразующих веществ.
Изменения поперечного прямого электрического поля после выпуска цезиевой
смеси в ионосфере, наблюдавшиеся в эксперименте АТ-1, показаны на рис. 3.3.6.
ГЛАВА 3.3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...
903
Впереди облака видно увеличение амп-
литуды электрического поля (в 4-5 раз),
коррелированное с максимумом плотности
плазмы. В облаке £-поле увеличивалось в
1,5-2 раза по сравнению с фоном. Увеличе-
ние сопровождалось незначительным умень-
шением £-поля на обратном краю облака.
Особенности вариаций £-поля в экспери-
менте АТ-1 подобны зарегистрированным
в АТ-3 [37]. Параметры импульса £-поля
были достаточны для генерации АЛВ, ко-
торая может возбудить ИАР с генерацией
турбулентного пограничного слоя, и для
ускорения электронов в этом слое.
Инжекция плазмообразующих веществ
Рис. 3.3.6. Вариации £-поля после
инжекции в эксперименте АТ-1
в экспериментах сопровождалась развитием
интенсивных низкочастотных флуктуаций £-полей. На рис. 3.3.7 представлены дан-
ные измерений £-полей на частотах 0,42, 1,6 и 10,2 кГц, полученные в эксперименте
АТ-1. Изменения амплитудных флуктуаций £-поля, так же как модуляции из-за вра-
щения ракеты, наблюдались после выпуска. Существенные флуктуации £-поля на
частоте 0,42 кГц были ограничены главным образом в пределах облака, в то время
как возмущения £-полей на частотах 1,6 и 10 кГц регистрировались и вне облака.
В эксперименте АТ-3 обнаружены существенные изменения полей на частотах
140 и 560 Гц впереди облака и внутри него. Важно, что в эксперименте АТ-3, как и в
АТ-1, наблюдались изменения низкочастотных £-полей в ионосфере для 10 с (около
2,5 км) после выхода ракеты из облака. Появление сильных волновых £-полей после
выпусков вызвано интенсивной плазменной турбулентностью, сопровождаемой ге-
нерацией поперечного £-поля и потоков ускоренных электронов [23].
Рис. 3.3.7. Запись ОНЧ-сигналов после инжекции облака
в эксперименте АТ-1
904
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Во всех экспериментах наблюдались следующие особенности стимулируемых
возмущений электронных потоков (Е- 1-5 кэВ):
• возникновение импульсов электронных потоков за 0,1-0,5 с, коррелирующих с
плазменным сгустком и пульсацией электрических полей впереди облака;
• увеличение электронов в потоке в 10-20 раз после выпуска не только в облаке,
но и вне облака в ионосфере;
• пульсирующий характер электронных потоков.
Генерация пульсаций потока электронов после выпуска облака в эксперименте
АТ-3 иллюстрируется рис. 3.3.8, на котором показаны данные для электронов с энер-
гией Е = 1 кэВ и Е > 40 кэВ. Пульсации потока мягких электронов соответствуют час-
тотам 0,03, 0,15 и 0,3 Гц, а частота пульсаций для энергичных электронов -0,03 Гц.
Явления коррелированных возмущений плазмы, электрических полей и потоков
электронов, наблюдаемых в экспериментах после выпусков, могут быть объяснены
искусственной генерацией в модифицируемой ионосфере альвеновского импульса,
который возбуждает ПАР, сопровождаемый ускорением и высыпанием авроральных
электронов. Оценки возбуждения ПАР выпуском облака показали, что диапазон воз-
можных значений собственных частот ПАР для условий экспериментов составляет
/=0,6-2,2 Гц. В пределах точности оценок эти значения соответствуют значениям
наблюдаемых частот пульсации потоков высыпающихся электронов с энергией
1-3 кэВ, т. е. электронов, ускоренных в ПАР и вызывающих генерацию АЛВ в ПАР
[37]. Существование значительных пульсаций потоков мягких и энергичных элект-
ронов с /= 0,01-0,03 Гц, зарегистрированное в экспериментах, может служить дока-
зательством проникновения АЛВ в магнитосферу, которое сопровождается взаимо-
действием АЛВ с частицами и электрон-
ным высыпанием, модулируемым АЛВ в
ионосфере. Высыпающиеся электроны обес-
печивают рост проводимости ионосферы,
что в результате приводит к появлению
дополнительного источника АЛВ, который
увеличивает потоки высыпающихся элек-
тронов и поддерживает триггерные про-
цессы, стимулируемые выпуском. Нужно
подчеркнуть, что в эксперименте «Trigger»
[35] с взрывным выпуском цезия пульсация
мягких электронов нс наблюдалась, но вы-
сыпание энергичных электронов (Е= 10 кэВ)
было зарегистрировано. Это можно объяс-
нить условиями эксперимента «Trigger»:
более высокой частотой генерированной
АЛВ, не захваченной ИАР, а также устой-
чивой ионосферой при L = 5,4.
Анализ экспериментальных результатов
показал, что выпуски в авроральной ионо-
сфере создавали пульсирующий поток мяг-
ких электронов. Это объясняется как со-
Скорость счета, 103 ими.-с 1
1,0 -
0,5
0
а
б
°-5 - !
100
200
300
/, с
Рис. 3.3.8. Стимулированные пульсации
потоков электронов в эксперименте АТ-3:
а - Е = 1 кэВ (анализатор электронов);
б - Е > 40 кэВ (счетчик Гейгера)
ГЛАВА 3.3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...905
стоянием ионосферы, так и экспериментальными условиями, приводящими в ре-
зультате к интенсивной генерации АЛВ. По оценкам, параметры этой волны были
достаточными, чтобы рассеять существенную фракцию волновой энергии на верх-
ней границе ПАР и сформировать турбулентный пограничный слой. Продольное
электрическое поле этого слоя ускоряло электроны, по крайней мере, до Е ~ 1 кэВ.
Соответствие основной частоты электронной пульсации 1 кэВ и собственной частоты
ПАР - экспериментальное обоснование механизма, предложенного в [33] для разви-
тия электронного высыпания во время суббури. Сравнение условий этого экспери-
мента с условиями эксперимента «Trigger» [35] показало, что, изменяя эксперимен-
тальные условия, можно выборочно стимулировать высыпание мягких электронов с
£- 1 кэВ или энергичных электронов с 10 кэВ. Электронное высыпание, как и
большая продолжительность возмущений ОНЧ £-полсй, проясняет характер триггер-
ного эффекта в искусственно измененной химическими выпусками авроральной ио-
носфере в АЭ [35] и во время запусков больших ракет.
3.3.2.4. Экспериментальные исследования искусственно модифицированной
экваториальной ионосферы
Отличительной особенностью экваториальной ионосферы, помимо хорошо из-
вестной аномалии в широтном распределении электронной концентрации Ne [38],
является существование вытянутых вдоль магнитного поля крупномасштабных не-
однородностей с пониженной Nc, получивших название «пузырей» ионизации
[39-42]. Этот тип неоднородностей возникает в послезаходные часы на высотах ниже
и вблизи максимума У^-слоя и затем в течение ночи охватывает значительную об-
ласть ионосферы вплоть до высот -1000 км. Характерно, что образование «пузырей»,
поперечные размеры которых варьируются от сотен метров до десятков километров,
а продольные достигают сотен километров, сопровождается каскадной генерацией
мелкомасштабных неоднородностей с размерами, по крайней мере, до единиц метров
и десятков сантиметров [43, 44]. Возникновение неоднородностей различных мас-
штабов проявляется в известном эффекте F-рассеяния [44].
Для объяснения образования «пузырей» ионизации обычно используются теоре-
тические представления о развитии НРТ в послезаходные часы в основании эквато-
риального F-слоя, характеризующегося резким градиентом Nc, при восходящем
дрейфе F-слоя. Триггерный характер запуска НРТ проявляется в малой величине за-
сеивающих возмущений, составляющих несколько процентов от фоновых значений
Nq, которые приводят в конечном счете к образованию крупномасштабных неодно-
родностей с уменьшением Ne до трех порядков величины [45-47].
В [48-52] представлены теоретические оценки развития «пузырей» ионизации
при искусственной модификации ионосферы в результате инжекции плазмогасящих
веществ в основании F-слоя, возмущения проводимости £-слоя и генерации волно-
вых возмущений. Реализация этих условий в АЭ позволяет проверить теоретические
представления, а также оценить возможности искусственного запуска крупномас-
штабных неоднородностей в экваториальной ионосфере инжекцией вещества и рабо-
той мощных излучающих средств в радиодиапазоне [53, 54].
В связи с этим в рамках программы «Экваториальный триггер» выполнен цикл
исследований, предусматривающих проведение экспериментов активного типа для
906 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
проверки механизмов стимулированного «запуска» НРТ и неоднородностей в эква-
ториальной ионосфере [48-52]. Ниже рассмотрены некоторые результаты экспери-
ментов по волновому механизму запуска НРТ и F-рассеяния [52, 55].
Было проведено четыре эксперимента ЭТ-1-ЭТ-4, данные по которым сведены в
табл. 3.3.2. Они осуществлялись вблизи геомагнитного экватора (±2° магнитного на-
клонения) в послезаходные часы в рейсах НИС «Профессор Зубов», оснащенного
комплексом для запусков ракет МР-12 и МР-20. Для генерации волновых возмуще-
ний в термосфере проводилась импульсная инжекция слабоионизированного Cs или
Ва-содержащего состава. Бортовые генераторы, использованные в экспериментах,
описаны в [38, 24].
Для исследований явлений в ионосфере, сопровождающих инжекцию вещества, в
экспериментах ЭТ-3, 4 помимо ионосферной станции использовался многочастотный
комплекс вертикального доплеровского зондирования [4]. Схема и методика радио-
зондирования ионосферы [4], примененная в экспериментах, обеспечивала диаг-
ностику ионизированного облака, образующегося в результате инжекции, а также
модифицированной ионосферы на различных высотах после создания облака. Зонди-
рование на разных частотах давало возможность отслеживать динамику и особенно-
сти волнового возмущения при его распространении в ионосфере. Одновременные
оптические наблюдения динамики облака позволяли определять направление и ско-
рость зонального дрейфа в ионосфере, влияющего на эффективность развития «пу-
зырей» tVc.
Существенным моментом при проведении экспериментов являлся выбор момента
инжекции, обеспечивающего стимулированный запуск НРТ в условиях послезаход-
ного восходящего дрейфа F-слоя до появления естественного F-расссяния. С этой
целью до экспериментов осуществлялись наблюдения за состоянием ионосферы,
включая динамику развития естественного F-расссяния в послезаходные часы. Ре-
зультаты наблюдений дрейфа F-слоя показывают, что естественное F-расссянис на-
блюдается через 1,0-2,5 ч после начала подъема F-слоя.
На основе проведенных наблюдений были определены моменты инжекции. Вы-
бранные моменты обеспечивали, с одной стороны, условия, необходимые для разви-
тия HPT-формирования области резких градиентов NQ ниже максимума F-слоя и вос-
ходящий дрейф ионизации, а с другой стороны - достаточный интервал времени
(до начала естественного F-рассеяния) для развития «искусственного» F-рассеяния.
Таблица 3.3.2
Данные по экспериментам по программе «Экваториальный триггер»
Экспе- римент Дата Время Координаты Высота облака, км Масса, кг Диагностика
UT LT с. ш. з. д.
ЭТ-1 19.10.1990 19:03 17:03 2°03'07" 24°04'08" 210 37 оптика
ЭТ-2 22.10.1990 18:13 16:13 1°42'03" 24°10'03" 180-220 30 ионозонд
эт-з 04.09.1991 20:13 18:13 8° 14'48" 24°33'00" 213 50 оптика,
ЭТ-4 08.09.1991 20:24 18:24 8° 13'00" 24°59'59" 209 50 ионозонд, допл. комплекс
ГЛАВА 3.3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...907
Время, UT
Рис. 3.3.9. Ионосферная доплерограмма на частоте 6,4 МГц и
соответствующие ей доплеровские спектры (верхняя часть рисунка,
частоты указаны в Гц). Vp- скорость волнового возмущения
Особенности распространения в ионосфере волнового возмущения, генерируемо-
го инжекцией плазмообразующего вещества, а также развития неоднородной струк-
туры ионосферы определялись с помощью доплерограмм, зарегистрированных при
зондировании ионосферы на различных частотах. Для иллюстрации особенностей
регистрируемых доплеровских эффектов на рис. 3.3.9 приведены отдельная доплеро-
грамма и соответствующие доплеровские спектры на частоте 6,4 МГц, зарегистриро-
ванные в эксперименте ЭТ-4.
Совокупность полученных данных позволяет сделать вывод, что инжекция в экс-
перименте плазмообразующего состава на h ~ 200 км (см. табл. 3.3.2) сопровождается
генерацией волнообразного возмущения, которое распространяется до высоты мак-
симума F-слоя (Л ~ 430 км) и вызывает образование плазменных неоднородностей,
приводящих, в свою очередь, к уширению доплеровских спектров отраженного сиг-
нала и к F-рассеянию.
Для объяснения явлений, наблюдаемых в экспериментах, можно использовать
модельные оценки условий возбуждения НРТ и образования неоднородностей при
формировании периодических колебаний Nc, обусловленных увлечением заряженных
составляющих ионосферной плазмы внутренней гравитационной волной (ВГВ) есте-
ственного происхождения [55, 36]. Согласно этим оценкам, эффективное возбужде-
ние НРТ и связанных с ней ионосферных «пузырей» начинается при возникновении в
основании F-слоя неоднородностей NC) в которых Nc/Ncf~ 0,05-0,1. Время существо-
вания таких возмущений NQ должно быть соизмеримо с характерным временем ли-
нейной стадии развития НРТ, которое для оптимальных условий возникновения НРТ
лежит в диапазоне 1/у~300-500 с (у-инкремент линейной НРТ) в зависимости от
параметров ионосферы [55, 36]. В соответствии с численными расчетами амплитуда
волны должна составлять Vs = 2-10 м-с-1, фазовая скорость - Гф = 100-200 м-с"1, дли-
на волны - X = 50-100 км. Помимо того, для возникновения «пузырей» Ne необходи-
мо выполнение условия пространственного резонанса, обеспечивающего эффектив-
ное взаимодействие волны с дрейфовым движением плазмы.
Для установления соответствия модельных оценок условий эффективной генера-
ции НРТ экспериментальным данным используем результаты многочастотного доп-
908
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Рис. 3.3.10. Скорость распространения
волнового возмущения
на различных высотах
леровского зондирования, позволяющие
определить параметры волновых возму-
щений в реальных условиях. Значения
фазовой скорости волны, определенные по
времени начала волнового возмущения на
разных высотах в ионосфере, приведены
на рис. 3.3.10. Как следует из этого рисун-
ка, Кф составляет 174 м-с-1 на h = 325 км
и 215 м-с-1 на h = 365 км (при точности
оценок ±10 м-с-1). Амплитуда волны, оп-
ределенная по доплеровскому смещению,
равна примерно 6 м-с-1 и возрастает с вы-
сотой. Период волнового возмущения в
ионосфере достигает 300-500 с. По наблю-
дениям дрейфа ионного облака опреде-
лено, что зональное электрическое поле
имело восточное направление, благоприятное для развития «пузырей» ионизации
[55, 36]. Таким образом, можно отметить соответствие модельных и эксперименталь-
ных данных по условиям возбуждения НРТ и плазменных «пузырей».
В эксперименте ЭТ-4 заметное развитие F-рассеяния, которое проявляется в уши-
рении и зашумлении доплеровских спектров, отмечается только вблизи максимума
F-слоя, в то время как на меньших высотах оно наблюдается лишь при прохождении
волнового возмущения, а затем затухает. Этот эффект объясняется, по-видимому, тем
обстоятельством, что инкремент линейной НРТ резко возрастает в основании F-слоя,
достигая максимальных значений для условий эксперимента на высотах 400-450 км
[44-47]. Именно в этом интервале высот отмечен стимулированный запуск F-рассея-
ния, имеющего искусственную природу. Дополнительным подтверждением триггер-
ного запуска искусственного F-рассеяния служит и тот факт, что оно регистрирова-
лось в экспериментах на 20-30 мин раньше естественного F-рассеяния.
В заключение можно констатировать следующее:
• с использованием радиофизических методов в АЭ с инжекцией плазмооб-
разующих составов в экваториальной ионосфере зарегистрировано распро-
странение волновых возмущений в ионосфере вплоть до максимума F-слоя;
эти возмущения могут быть вызваны генерацией ВГВ при инжекции веще-
ства;
• параметры искусственных волновых возмущений в первом приближении соот-
ветствуют условиям генерации НРТ при распространении ВГВ в естественных
условиях с возникновением в результате этого «пузырей» ионизации;
• эффект стимулированного запуска НРТ, проявляющийся в возникновении ис-
кусственного F-рассеяния, отмечается только вблизи и ниже максимума эква-
ториального F-слоя в области максимальных значений инкремента НРТ.
В целом, результаты экспериментов подтверждают возможность стимулирован-
ного запуска в экваториальной ионосфере в определенных условиях искусственного
F-рассеяния, связанного с генерацией и распространением волновых возмущений в
ионосфере.
ГЛАВА 3.3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...
909
3.3.3. Оптические эффекты в околоземной среде, вызываемые работой
двигательных установок ракет и спутников
Запуски мощных ракет и работа двигательных установок (ДУ) КА, сопровождае-
мые выбросами в околоземную среду на различных высотах газа, плазмы, дисперс-
ных частиц различных размеров, приводят к возникновению ИО, содержащих нейт-
ральный газ, плазму и твердые частицы. Эти образования рассеивают солнечное
излучение или, вступая в химические процессы с компонентами атмосферы, возбуж-
дают свечение, в результате чего в околоземной среде могут возникать различные
оптические явления [56]. К настоящему времени получено много данных по ионо-
сферным эффектам при запусках мощных ракет, которые проявляются в образовании
«ионосферных дыр», генерации и распространении волновых возмущений, возбуж-
дении свечения ионосферы и обусловлены, в основном, взаимодействием газовых
продуктов сгорания топлива ДУ ракет с ионосферной плазмой [57-59]. Однако в на-
учной литературе мало внимания уделялось описанию ИО из дисперсных частиц (в
ряде случаев используется термин «космозольные образования» [60, 61]), сопровож-
дающих запуски ракет и работу ДУ КА. В то же время, наблюдения оптических явле-
ний, сопровождающих возникновение и эволюцию ИО такого типа, могут дать цен-
ную информацию по проблемам антропогенного загрязнения ОКП, динамическим
процессам в различных областях околоземной среды, различным вопросам атмосфер-
ной оптики, методике и интерпретации результатов АЭ в околоземной среде.
Ниже представлены некоторые результаты оптических наблюдений ИО из дис-
персных твердых частиц, зарегистрированных с участием авторов при проведении
исследований по воздействию ракетно-космической техники на околоземную среду.
Представленные данные наземных и спутниковых наблюдений являются достаточно
типичными и отражают характерные особенности динамики и свечения дисперсных
ИО, образующихся при запусках ракет.
3.3.3.1. Аппаратура и методика наблюдений
Наземные наблюдения
В экспериментах производилось фотографирование ИО и наблюдение их с по-
мощью высокочувствительной черно-белой телевизионной камеры с длиннофокус-
ным объективом.
Наземные наблюдения проводились в условиях сумерек, когда пункт наблюдения
находился в тени Земли, а ИО - выше тени. Это обеспечивало оптимальные условия
наблюдения на фоне темного неба ИО, интенсивно рассеивающего солнечное излу-
чение. Наблюдения проводились, как правило, из одного пункта, что ограничивало
возможности восстановления трехмерной картины ИО. При проведении наблюдений
запусков с полигона в Плесецке пункт наблюдения находился на расстоянии 370 км
западнее точки пуска ракеты и наблюдения осуществлялись почти «в угон» ракете -
под углом 20° к плоскости ее траектории. Это обстоятельство позволило определить
горизонтальную составляющую радиальной скорости разлета вещества ИО на интер-
валах времени, соответствующих интервалам между фотографиями ИО (10-12 с).
Дальность до ракеты вычислялась по траекторным параметрам ее движения на ак-
910 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
тивном участке, а границы ИО определялись по изофотам (по уровню фотографиче-
ской плотности 0,2).
В экспериментах проводились также наблюдения оптических явлений при работе
ДУ разгонных блоков КА на высоте 20 тыс. км. Для этой цели использовалась высо-
кочувствительная телевизионная установка, с помощью которой осуществлялись
наблюдения при углах места 80-85°. При этом изображение ИО в картинной плос-
кости представляло собой проекцию инжектируемой газо-дисперсной струи на плос-
кость, проходящую через продольную ось струи.
Данные по пространственным и яркостным характеристикам ИО при запусках ра-
кет получались в результате стандартной обработки фотографических материалов.
При этом за границу ИО на изображении брался уровень плотности почернения, на
0,2 отличный от фона. По изофотам определялись яркости ИО и значения координат
и скоростей. Спектральные изображения в разных интервалах длин волн получались
из фотографий ИО, сделанных с предобъективной дифракционной решеткой.
Спутниковые наблюдения
Для спутниковых наблюдений ИО использовался УФ-телескоп космической аст-
рофизической станции (АС) «Астрон». Наблюдения ИО из космоса в УФ-диапазоне
открывают принципиально новые возможности диагностики развития ИО.
Спутник «Астрон» имел орбиту с параметрами: наклонение 51,5°, перигей 2 тыс. км,
апогей 200 тыс. км, период обращения 4 сут. Поскольку подробные данные по опти-
ческой аппаратуре, установленной на спутнике, представлены в [62], отметим только
некоторые из них, важные для интерпретации результатов наблюдений. Диапазон
длин волн УФ-спектрографа составлял 110-550 нм; угловое поле зрения УФ-телеско-
па - 12 угловых минут, что соответствовало на поверхности Земли кругу радиусом
3 км при наблюдении с высоты 100 тыс. км. Точность наведения телескопа, произво-
димого разворотом ИСЗ, составляла 5 угловых минут, точность стабилизации - 1,5
угловых минуты.
Для проведения измерений пространственных характеристик ИО при запусках
ракет производилось сканирование УФ-телескопом области запуска поперек траек-
тории полета ракеты за счет сложения орбитального движения АС «Астрон» и вра-
щения Земли. Пространственное сканирование осуществлялось при фиксированной
длине волны спектрографа.
3.3.3.2. Результаты наблюдений
Наземные наблюдения
В качестве примера оптических явлений, сопровождающих запуск ракеты и ха-
рактеризующих динамику образования ИО, на рис. 3.3.11 (фото 1-4) приведены изо-
бражения ИО, полученные 27.08.1982 г. с расстояния 550 км при запуске спутника
«Молния» ракетой «Союз». Изображение 1 соответствует моменту появления ИО на
высоте 105 км, а кадры 2, 3, 4 были получены через 17, 60 и 94 с после первого изо-
бражения.
Из анализа приведенных фотографий следует, что ИО быстро расширяется вверх
и тормозится при движении вниз в более плотную атмосферу. Хорошо наблюдается
ГЛАВА 3 3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...911
Рис. 3.3.11. Последовательные фотографии ИО из конденсированных
продуктов сгорания ДУ ракеты «Союз»
неоднородная структура ИО (фото 3), просматриваются струи из отдельных двигате-
лей ракеты. Угловой размер ИО по вертикали за время наблюдений достигает 7°.
На рис. 3.3.12 приведены данные по горизонтальной составляющей радиальной
скорости Г/? разлета вещества ИО с учетом особенностей методики наблюдений,
рассмотренных выше, и неточности определения по изофотам границы ИО и по-
ложения ракеты на фоне ИО. Из этих данных следует, что регистрируемая в усло-
виях эксперимента скорость разлета вещества ИО растет с высотой от 1 км-с-1 на
высоте h = 120 км до 2 км-с-1 на h = 160-170 км. Поперечный размер ИО, зарегистри-
рованный за время наблюдений, достиг 100 км.
Как указывалось выше, яркость ИО определялась по изофотам. На рис. 3.3.13 при-
ведены изменения во времени площадей и S2 с фотографической плотностью 0,2 и
0,8 соответственно и интегральной светимости ИО в долях яркости полной Луны.
Спектральные наблюдения показали, что спектр ИО является непрерывным, что сви-
детельствует о наличии в нем мелкодисперсной компоненты.
Динамика ИО на h = 20 тыс. км при работе ДУ разгонного блока КА иллюстриру-
ется ТВ-изображением ИО (рис. 3.3.14: 1 - запуск ДУ; 2, 3 - работа ДУ на устано-
вившемся режиме; 4 - отсечка ДУ.). Приведенные изображения показывают, что:
• ИО на всех стадиях разлета продуктов сгорания сохраняет коническую форму,
обусловленную динамикой истечения продуктов сгорания из ДУ;
• существуют заметно выраженные неоднородности ИО с повышенной концен-
трацией вещества вблизи образующих конусообразного ИО;
Рис. 3.3.12. Горизонтальная составляющая
радиальной скорости VR разлета вещества
ИО в зависимости от высоты h
Рис. 3.3.13. Динамика изменения во времени
интегральной яркости I ИО в долях яркости
полной Луны 7Л и видимых площадей и ИО
912
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
• происходит разлет ИО как едино-
го целого без торможения и из-
менения формы за время наблю-
дений;
• скорость разлета компонентов
ИО в продольном направлении
составляет 3,6 км-с-1, в попереч-
ном - 1,9 км-с"1.
Перед отсечкой ДУ максимальный
наблюдаемый поперечный размер ИО
составил 390 км, при этом масса про-
дуктов сгорания, выбрасываемых за
одну секунду, в 12 раз меньше, чем в
предыдущем случае.
Рис. 3.3.14. Последовательные оптико-
телевизионные фотографии работы ДУ
разгонного облака КА на высоте 20 000 км
Стрелкой на 4 указано положение КА
Спутниковые наблюдения
С использованием УФ-телескопа АС «Астрой» проведены наблюдения ИО при
запуске корабля «Space Shuttle». Запуск был осуществлен 03.11.1984 г. на орбиту с
наклонением 28,5°. Протяженность активного участка составляла 1 800 км, время ра-
боты двигателя - 500 с. Наблюдения были начаты через 2 ч 21 мин после запуска. При
этом АС «Астрон» находилась на h = 40 тыс. км, угол места изменялся от 15° до 25°,
азимут составлял 70°. Схема сканирования в эксперименте показана на рис. 3.3.15, а
данные измерений интенсивности потока излучения на X = 275,0 нм при различных
сканах на рис. 3.3.16. Цифрами указаны номера сканов: 1 - 18:21.00; 2 - 18:36.07; 3 -
18:52.33; 4- 19:04.00; 5 - 19:18.08; 6- 19:35.53; 7 - 19:46.39; 8 - 20:00.22; 9 - 20:14.38;
10 - 20:28.34. Нулевому отсчету на шкале абсцисс на рис. 3.3.16 соответствует расчет-
ная точка пересечения трассы запуска оптической осью УФ-телескопа.
Из приведенных данных следует, что спустя 3,5-4,5 ч вдоль трассы запуска (ска-
ны 6-8) регистрируется область с увеличенными по сравнению с фоном значениями
УФ-излучения. Поперечный размер этой об-
ласти достигает 1000 км. Надфоновое увели-
чение интенсивности УФ-излучения дости-
гает 60%, что значительно превышает ошиб-
ки измерений (1-3%). Область надфонового
свечения характеризуется значительными
флуктуациями интенсивности УФ-свечения,
достигающими 10-20%. При сканировании
областей вне зоны запуска (сканы 1-3) уве-
личения интенсивности УФ-излучения не
было зарегистрировано.
Надфоновое увеличение интенсивности
УФ-излучения было также обнаружено при
наблюдениях области старта ракеты «Про-
тон», который состоялся 29.11.1984 г. Ре-
зультаты этих наблюдений указывают на
Ф, град. (с. ш.)
26 ----1---1---1---1---1---1---1---1--1---1---
278 280 282 284 X, град. (в. д.)
Рис. 3.3.15. Схема сканирования района
пуска «Space Shuttle» в географических
координатах
ГЛАВА 3.3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...913
Рис. 3.3.16. Изменения интенсивности (число импульсов в 1 с)
потока УФ-излучения на длине волны 275,0 нм для различных
сканов в зависимости от расстояния L по земной поверхности
существование крупномасштабной области с увеличенной интенсивностью свечения
(на 60-100% над фоном) после пролета ракеты. В ИО отмечены значительные про-
странственные неоднородности свечения с размерами до нескольких десятков кило-
метров.
З.З.З.З. Обсуждение результатов наблюдений
Результаты наземных и спутниковых оптических наблюдений ИО, возникающих
при запусках мощных ракет, указывают на следующие особенности:
• регистрируемая инструментальными средствами скорость расширения компо-
нентов ИО на h > 100 км составляет 1-2 км-с-1;
• поперечные размеры ИО, образующегося вдоль трассы запуска, могут дости-
гать 1000 км;
• минимальное время существования ИО, определенное различными методами,
составляет 1-6 ч;
• ИО характеризуется различными пространственными неоднородностями с раз-
мерами от единиц до нескольких десятков километров;
• яркость ИО в видимом диапазоне может достигать 0,1% яркости полной Луны;
спектры ИО в видимом диапазоне имеют непрерывный характер;
• ИО обладает рассеивающими свойствами в УФ-диапазоне спектра, позволяю-
щими наблюдать их на фоне Земли.
Отмеченные пространственно-временные и спектрально-яркостные характери-
стики ИО могут быть объяснены в предположении, что рассеяние солнечного излу-
чения происходит на частицах с размерами 1-10 мкм. Наличие таких частиц объяс-
няет значительные поперечные размеры ИО, т. е. расстояния, на которых происходит
торможение инжектируемых компонент в разреженной атмосфере на высотах
h > 100 км. В пользу существования дисперсных частиц в ИО свидетельствует и не-
прерывный характер видимого спектра излучения, рассеянного ИО. Длительные вре-
мена наблюдений ИО связаны с медленным осаждением образованного облака в
верхней атмосфере. Так, оценки показывают, что время осаждения дисперсных час-
тиц с размерами менее 10 мкм с высоты 100 км превышает 30 дней. За это время час-
тицы могут рассеяться на значительные расстояния.
914
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
ДУ ракет-носителей являются мощными источниками дисперсных частиц: так,
при работе твердотопливных ускорителей КА «Space Shuttle» образуется около 180 т
частиц, преимущественно двуокиси алюминия, а при работе жидкостных ракетных
двигателей около 30% продуктов сгорания конденсируется с образованием частиц
льда [63-65]. Время жизни частиц, образующихся при горении ракетных топлив, и
следовательно время жизни ИО, включающих эти частицы, определяется скоростью
их осаждения и диффузии в атмосфере, термодинамическими условиями среды, в
которой образовано облако, освещенностью Солнцем и может изменяться в широких
пределах - от десятков минут до нескольких часов. Неоднородности ИО, проявляю-
щиеся в неоднородностях свечения, обусловлены особенностями работы ДУ ракет, а
на более длительных временах - динамическим режимом верхней атмосферы, в ко-
торой образуется облако частиц.
Таким образом, совокупность приведенных данных наблюдений позволяет пред-
полагать, что запуски мощных ракет-носителей сопровождаются, помимо известных
явлений образования «ионосферных дыр» и других эффектов [62, 63], возникновени-
ем долгоживущих (до 1-6 часов для разных типов ракет) ИО дисперсных частиц.
Образование облаков частиц при запусках ракет может быть одним из источников
загрязнения ОКП и должно учитываться при исследованиях антропогенных воздей-
ствий на околоземную среду.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Комплекс исследований, выполненных в рамках программы «Активные экспе-
рименты и антропогенные явления в ионосфере», показал сложный характер явлений
и процессов при ИМОС и самостоятельное значение этого направления исследова-
ний околоземной среды. В процессе выполнения программы была выработана специ-
альная методология проведения экспериментов, разработаны аппаратурные комплек-
сы как для модификации ОКП, так и для диагностики возникающих при этом про-
цессов и явлений. С использованием разработанных методов, аппаратурных средств,
моделей в АЭ был зарегистрирован ряд новых процессов и явлений.
2. Диффузионная эволюция ИО в выполненной программе исследовалась ком-
плексно с использованием оптико-радиофизических методов и трехмерной числен-
ной модели. На основе этих исследований удалось впервые обнаружить и объяснить
существование долгоживущих ИО в низкоширотной ионосфере. При исследованиях
тонкой структуры ИО был зарегистрирован ряд новых особенностей: высотный по-
рог развития неустойчивостей; быстрый «катастрофический» характер развития не-
однородностей в ИО; возникновение «супертонкой» структуры ИО, т. е. мелкомас-
штабных неоднородностей с малым временем жизни и небольшими размерами; воз-
никновение крупномасштабных неоднородностей с размерами в десятки километров
и другие особенности.
3. Был зарегистрирован комплекс явлений, свидетельствующих о высокой эффек-
тивности образования ионов, что может быть объяснено на основе представлений об
аномальной (альвеновской) ионизации. Было выявлено образование крупномасштаб-
ных долгоживущих плазменных структур, указывающих на ряд аномальных особен-
ностей в диффузионной эволюции ИО.
ГЛАВА 3.3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...915
4. Данные оптических наблюдений показывают, что химически активные компо-
ненты, инжектируемые с борта ИСЗ на высотах области F2, могут вступать в фотохи-
мические реакции с ионосферными составляющими, приводя к возбуждению надфо-
нового свечения ионосферы на расстояниях до 100-150 км от области инжекции.
5. Особый интерес при исследовании нелокальных явлений и процессов при АЭ
представляют результаты, полученные в авроральной ионосфере, подтвердившие
возможность стимуляции явлений триггерного типа при модификации проводимости
среды в результате создания ИО. Теоретически и экспериментально показана воз-
можность триггерного запуска НРТ и связанных с ней плазменных неоднородностей
при искусственной модификации экваториальной ионосферы.
6. Результаты экспериментальных исследований ИО в АЭ и при антропогенных
воздействиях показали возможность использования данных АЭ для объяснения и
анализа сложного комплекса явлений, возникающих при запусках изделий ракетно-
космической техники. К числу таких явлений, которые изучались в проведенных ра-
ботах, относятся образование крупномасштабных космозольных образований в ионо-
сфере, генерация крупно- и мелкомасштабных возмущений в ионосфере, воздействие
плазменных струй ЭР ДУ на ионосферу. Результаты исследований ИО в АЭ и при
антропогенных воздействиях, с одной стороны, подтвердили возможность использо-
вания данных АЭ для изучения явлений при антропогенных воздействиях и, с другой
стороны, еще раз указали на необходимость комплексной диагностики возникающих
явлений и процессов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Haerendel G., Sagdeev R.Z. Artificial plasma jet in ionosphere. Adv. Space Res., 1981, v. 1, pp. 29-44.
2. Авдюшин С.И., Клюев О.Ф., Милиневский Г.П. и др. Предварительные результаты наблюдений искус-
ственных образований в ионосфере в экспериментах по проекту «CRRES». Космические исследова-
ния, 1993, т. 31, вып. 1, с. 71-83.
3. Милиневский Г.П., Романовский Ю.А., Алпатов В.В. и др. Оптические исследования искусственных
облаков в верхней атмосфере. Космические исследования, 1993, т. 31, вып. 1, с. 41-53.
4. Багно Ю.Д., Ким В.П., Намазов С.А. и др. Передвижной комплекс многочастотного доплеровского
зондирования модифицированной ионосферы в активных экспериментах. Космические исследования,
1993, т. 31, вып. 1,с. 154-158.
5. Milinevsky G.P., Kashirin A.I., Romanovsky Yu.A. Longlife artificial ion clouds in the Earth ionosphere.
Abstracts of papers presented at 19 Annual European Meeting, Sweden, Kiruna, 1992.
6. Гайдуков В.Ю., Лебедева Т.Н., Фаермарк Д.С., Цема А.С. Трехмерная численная модель ионного об-
лака в ионосфере. Космические исследования, 1993, т. 31, вып. 1, с. 101-107.
7. Dzubenko N.L, Zhilinsky А.Р. et al. Dynamics of artificial plasma clouds in «Spolokh» experiments: move-
ment pattern. Planet. Space Sci., 1983, v. 31, No 8, p. 849.
8. Pongratz M.B. Large scientific releases. Adv. Space Res., 1981, v. 1, pp. 253-273.
9. Николаев Н.В. Динамика плазменных облаков в ионосфере. Магнитосферн. исслед., 1990, № 14, с. 47-63.
10. Аношкин В.А. и др. Об эволюции бариевых облаков большой плотности. Геомагнетизм и аэрономия,
1979, т. 19, №6, с. 1058-1063.
11. Рожанский В.А., Цендин Л.Д. Столкновительный перенос в частично-ионизоваппой плазме. М.: Энерго-
атомиздат, 1988, 246 с.
12. Филипп Н.Д. и др. Эволюция искусственных плазменных неоднородностей в ионосфере Земли. Киши-
нев: Штиинца, 1986, 248 с.
13. Гуревич А.В., Цендлина Е.Е. Движение и расплывание неоднородностей в плазме. УФН, 1967, т. 91,
№4, с. 609-643.
916 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
14. Блаунштейн Н.Ш., Цендлина Е.Е. Расплывание сильно вытянутых неоднородностей в верхней ионо-
сфере. Геомагнетизм и аэрономия, 1984, т. 24, № 3, с. 414-419.
15. Казачевская Т.В., Иванов-Холодный Г.С. Ракетные данные о поведении электронной концентрации в
ионосфере на высотах 100-300 км. Геомагнетизм и аэрономия, 1985, т. 5, № 6, с. 1008-1024.
16. Рожанский В.А., Цендин Л.Д. Расплывание неоднородностей в слабоионизированной плазмы с током
в геомагнитном поле. ЖТФ, 1977, т. 47, № 10, с. 2017-2026.
17. Namazov S., Nikolaishvili S., Romanovsky Y., Ivanov V. Dynamics and structure of ion clouds in the iono-
sphere from multifrequency Doppler sounding. Adv. Space Res., 1995, v. 15, No 12, pp. 123-126.
18. Евтушевский A.M., Милиневский Г.М., Романовский Ю.А., Савченко В.А. Стратификация бариевых
облаков в условиях активных экспериментов по ТВ-наблюдениям. Космич. исследования, 1992, т. 30,
вып. 3, с. 123-128.
19. Milinevsky G.P., Alpatov V.V., Gurvich A.V. et al. Optical observations of artificial clouds in the CRRES
experiments. Adv. Space Res., 1995, v. 15, No 12, pp. 131-134.
20. Гайдуков В.Ю., Намазов С.А., Никитин M.A., Романовский Ю.А. Эксперимент «Экваториальный триг-
гер»: стимулированное развитие плазменных неустойчивостей и неоднородностей в экваториальной
ионосфере. Космические исследования, 1993, т. 31, вып. 1, с. 63-70.
21. Дзюбенко Н.И., Евтушевский А.М., Лившиц А.И. и др. Оптические эффекты начальной стадии инжек-
ции искусственного ионного облака. Геомагнетизм и аэрономия, 1986, т. 26, № 5.
22. Гайдуков В.Ю., Кащенко Н.М., Корнеев М.А., Романовский Ю.А. Волновые возмущения, генерируе-
мые в термосфере локализованными источниками. Геомагнетизм и аэрономия, 1992, т. 32, № 2.
23. Гайдуков В.Ю., Деминов М.Г., Думин Ю.В. и др. Эксперимент «Авроральный триггер». I. Генерация
электрических полей и потоков частиц инжекцией плазмообразующих соединений в ионосферу высо-
ких широт. Космические исследования, 1993, т. 31, вып. 1, с. 54-62.
24. Алебастров В.А., Благовещенская Н.Ф., Иванов В.П. и др. Исследования искусственных образований в
ионосфере радиофизическими методами. 1. Искусственные ионные облака. Космические исследова-
ния, 1993, т. 31, вып. 2, с. 11-31.
25. Жулин И.А., Милиневский Г.И., Лоевский А.С. и др. Экспериментальные исследования в ионосфере
при кумулятивной инжекции паров бария. Космические исследования, 1984, т. 23, с. 406.
26. Жулин И.А., Жученко Ю.М., Костин В.М. и др. Регистрация стимулированного высыпания электронов
из внутреннего радиационного пояса в эксперименте «Сполох-2». Космич. исследования, 1980, т. 20,
№6, с. 1125.
27. Alexandrov V.A., Babaev А.Р., Gaydukov V.Yu. et al. Energetic electron fluxes stimulated with pulsed plas-
ma injections of plasma in the ionosphere. Adv. Space Res., 1981, v. 2 , p. 141.
28. Гайдуков В.Ю., Кащенко H.M., Никитин M.A., Романовский Ю.А. Численное моделирование F-области
путем инжекции плазмогасящих соединений. Геомагнетизм и аэрономия, 1988, т. 28, № 3.
29. Гайдуков В.Ю., Кащенко Н.М., Никитин М.А., Романовский Ю.А. Возможности стимулирования эква-
ториальных плазменных пузырей инжекцией Н2О. Геомагнетизм и аэрономия, 1989, т. 29, № 3.
30. Гайдуков В.Ю., Кащенко Н.М., Никитин М.А., Романовский Ю.А. Запуск экваториальных пузырей
путем модификации Е-слоя. Геомагнетизм и аэрономия, 1991, т. 31, № 6.
31. Гайдуков В.Ю., Кащенко Н.М., Никитин М.А., Романовский Ю.А. Исследования стимуляционных ха-
рактеристик различных плазмогасящих соединений. Геомагнетизм и аэрономия, 1991, т. 31, № 6.
32. Sagdeev R.Z., Managadze F.G., Romanovsky Yu.A. et al. Peculiarities of the environment disturbances dur-
ing the electron beam injection from the rocket. Adv. Space Res., 1981, v. 1 , p. 77.
33. Трахтенгерц В.Ю., Фельдштейн А. Я. Турбулентный погранслой в полярной ионосфере и взрывная
фаза магнитосферной суббури. Неустойчивости и волновые явления в системе ионосфера-термосфера.
Горький: НПФ АН СССР, 1989, с. 239.
34. Grebnev I.A., Deminov М., Romanovsky Yu.A., Tcema A. Trigger processes in the artificially modified auro-
ral ionosphere. Adv. Space Res., 1998, v. 21, No 5, pp. 761-764.
35. Holmgren G., Bostrom R., Kelly M.C. et al. Trigger, an active release experiment that simulated auroral parti-
cle precipitation and wave emitions. J. Geophys. Res., 1980, v. 85, No A10, p. 5043.
36. Козлов С.И., Романовский Ю.А. Искусственная модификация ионосферы в активных экспериментах и
при антропогенных воздействиях. Космические исследования, 1993, т. 31, вып. 1, с. 26-40.
37. Fominov О., Tcema A. The generation of direct and AC electric fields and electron fluxes in a rocket experi-
ment. Adv. Space Res., 1995, v. 15, No 12, p. 135.
ГЛАВА 3.3 АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ...917
38. Ришбет Г., Гарриотт О.К. Введение в физику ионосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975.
39. Hanson W.B., Sanatanj S. Relationship between Fe-ions and equatorial spread F. J. Geophys. Res., 1971, v. 76,
No31,p. 7761.
40. Романовский Ю.А., Погуляевский Л.И., Дубов И.А., Ульянов Е.Г. Об аномалии ионного состава в эк-
ваториальной области. ДАН СССР, 1975, т. 224, № 6, с. 1312-1314.
41. Гайдуков В.Ю., Истомин В.Г., Романовский Ю.А. Аномалия состава экваториальной области F2 в пос-
лезаходные часы по данным масс-спектрометрического эксперимента на спутнике «Космос-274»:
Препринт 331, ИКИ, 1977.
42. McClure J. Р., Hanson W.B., Hoffman J.H. Plasma bubbles and irregularities in the equatorial ionosphere.
J. Geophys. Res., 1977, v. 82, No A4, pp. 2650-2658.
43. Fejer B.O., Kelley M.C. Ionospheric irregularities. Rev. Geophys. and Space Phys., 1980, v. 18, No 2, pp. 401-454.
44. Гершман Б.Н., Казимировский Э.С., Кокоуров В.Д., Чернобровкина Н.А. Явление F-рассеяния в ионо-
сфере. М.: Наука, 1984.
45. Ossakow S.L., Zalesak S.T., McDonald В.Е., Chatuverdi P.K. Nonlinear equatorial spread F\ dependence of
altitude of the F-peak and bottomside background electron density gradient scale height. J. Geophys. Res.,
1979, v. 84, No Al, pp. 17-39.
46. Ossakow S.L. Review of recent results of spread F theory. Wave instabilities in space plasmas. Proc. Symp.
XIX URSI, Helsinki, 1978, D.R.P. Co, pp. 265-289.
47. Гершман Б.Н. Об условиях возникновения неустойчивости Релея-Тейлора в области F-ионосферы.
В кн.: Ионосферные неоднородности. Якутск, 1981, с. 3-15.
48. Гайдуков В.Ю., Кащенко Н.М., Никитин М.А., Романовский Ю.А. Численное моделирование модифи-
кации экваториальной F-области путем инжекции плазмогасящих соединений. Геомагнетизм и аэро-
номия, 1988, т. 28, № 3, с. 422-427.
49. Гайдуков В.Ю., Кащенко Н.М., Никитин М.А., Романовский Ю.А. Возможности стимулирования эква-
ториальных плазменных пузырей инжекцией Н2О. Геомагнетизм и аэрономия, 1989, т. 29, № 3, с. 440-444.
50. Гайдуков В.Ю., Кащенко Н.М., Мациевский С.В. и др. Исследование стимуляционных характеристик
различных плазмогасящих соединений. Геомагнетизм и аэрономия, 1991, т. 31, № 6, с. 1074-1078.
51. Гайдуков В.Ю., Кащенко Н.М., Мациевский С.В. и др. Запуск экваториальных пузырей путем моди-
фикации Е-слоя. Геомагнетизм и аэрономия, 1991, т. 31, № 6, с. 1042-1048.
52. Гайдуков В.Ю., Кащенко Н.М., Корнеев Н.А. и др. Волновые возмущения, генерируемые в термосфере
локализованными источниками. Геомагнетизм и аэрономия, 1992, т. 32, № 2, с. 125-131.
53. Narcisi R.S. Overview of Project BIME. In: Active experiments in space. Proc. Symp. Albach, 24-28 May
1983, ESA SP-195,1983, pp. 255-264.
54. Mendillo M. Ionospheric holes: A review of theory and recent experiments. Adv. Space Res., 1988, v. 8,
No 16, pp. 51-62.
55. Ерохин H.C., Кащенко H.M., Кшевецкий С.П. и др. Резонансное возбуждение внутренними гравитаци-
онными волнами релей-тейлоровских ионосферных пузырей в ночной экваториальной F-области.
Препринт 1584, ИКИ, 1989, с. 15.
56. Платов Ю.В., Рубцов В.В. НЛО и современная наука. М.: Наука, 1991.
57. Bernhardt Р.А. Environmental effects of plasma depletion experiments. Adv. Space Res., 1982, v. 2, No 3, p. 129.
58. Mendillo M. Modification of the ionosphere by large space vehicles. AJAA Paper, 1980, v. 71, pp. 99-117.
59. Карлов В.Д., Козлов С.И., Ткачев Г.Н. Крупномасштабные возмущения в ионосфере, возникающие при
полете ракеты с работающим двигателем (обзор). Космич. исслед., 1980, т. 18, вып. 2, с. 266.
60. Буздыгар Т.В., Гаплевская В.В., Дорохова И.В. и др. Структура и динамика искусственных космозоль-
ных образований в верхней атмосфере. Космич. исслед., 1993, т. 31, вып. 2, с. 43-54.
61. Андреева Л.А., Клюев О.Ф., Портнягин Ю.И., Хананьян А.А. Исследование процессов в верхней атмо-
сфере методом искусственных облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.
62. Боярчук А.А., Грапицкий Л.В., Северный А.Б. и др. Ультрафиолетовый телескоп на астрофизической
станции «Астрон». Письма в астрофизический журнал, 1984, т. 10, № 3.
63. Новиков Л.С., Петров Н.Н., Романовский Ю.А. Экологические аспекты космонавтики. М., 1986, 64 с.
64. Bernhardt Р.А. Modeling of modifications experiments involving neutral gas release. Act. experim. in space,
Alpbach, 1983, p. 271.
65. Rote D.M. Space systems and their interactions with Earth’s space environment. Progress in Astronautics and
Aeronautic. AIAA, 1980, v. 71, pp. 3-53.
ГЛАВА 3.4
ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
В ОКРЕСТНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Корсун А.Г., Твердохлебова Е.М., Габдуллин Ф.Ф.
Центральный научно-исследовательский институт машиностроения
Список сокращений
АМИ аппаратура магнитных измерений МПЗ магнитное поле Земли
ГСО геостационарная орбита СБ солнечная батарея
гпо газоплазменное образование СВА собственная внешняя атмосфера
ДАС двигатель с анодным слоем СВИ собственная внешняя ионосфера
ЖРД жидкостной ракетный двигатель СПД стационарный плазменный двигатель
ИПО искусственное плазменное образование ЭПГ электроплазменный генератор
КА космический аппарат ЭРД электроракетный двигатель
ВВЕДЕНИЕ
Искусственные плазменные образования (ИПО) возникают вблизи космических
аппаратов (КА) при работе различных бортовых систем, генерирующих потоки плаз-
мы или нейтральных газов. ИПО могут существенно изменять радиофизические и
оптические характеристики пространства в окрестности КА, оказывать влияние на
динамику КА, вызывать эрозию поверхности аппарата, стимулировать электрораз-
рядные процессы на поверхности.
Наиболее распространенными источниками ИПО являются электроплазменные
генераторы (ЭПГ), к которым относятся электроракетные двигатели (ЭРД) разных
типов, плазменные контакторы электродинамических тросовых систем или систем
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА
919
управления потенциалом поверхности КА, специальные генераторы плазмы или
пучков заряженных частиц, использующиеся в геофизических научных экспери-
ментах.
Другими источниками ИПО могут быть служебные системы КА (например, газо-
вые реактивные двигатели), испускающие потоки газов и паров, значительная часть
которых ионизуется под действием факторов космического пространства. Интенсив-
ное истечение газов и паров в окружающее КА пространство происходит при шлюзо-
вых операциях и при технологических сбросах воды. Заметный вклад дают также
долговременные утечки газов из внутренних отсеков КА и продукты газовыделения
материалов, находящихся на поверхности аппарата.
Характеристики ИПО определяются как параметрами исходных потоков плазмы и
нейтрального газа, так и параметрами их взаимодействия с окружающей космиче-
ской средой. Наиболее значительное влияние на динамику ИПО и на процессы иони-
зации в таких образованиях оказывают магнитное поле Земли (МПЗ), набегающий на
КА поток ионосферной плазмы и солнечное излучение. В конечном итоге вблизи КА
формируются крупномасштабные ИПО с весьма специфическими пространственны-
ми распределениями концентрации, скорости и температуры зарядовых компонен-
тов, самосогласованных электрических полей и токов. При этом характеристики
ИПО одной природы, например выхлопных струй ЭРД, будут различны для низких и
высоких орбит вследствие отличия условий взаимодействия струй с окружающей
средой.
Ниже приведены сведения о нескольких типах ИПО, возникающих вблизи КА
при различных орбитальных условиях. Описаны математические модели, позволяю-
щие рассчитать их характеристики и интенсивность их воздействия на КА. Приведе-
ны также результаты сопоставления с экспериментальными данными, подтверждаю-
щие корректность предложенных моделей.
3.4.1. Динамика плазменных струй в космосе
В струях, генерируемых ЭРД, плазма практически полностью ионизована (сте-
пень ионизации а > 0,95), ее поток хорошо сфокусирован, энергия ускоренных ио-
нов обычно много больше температуры электронов и разброса ионов по энергиям,
поэтому число Маха велико (Л/2» 10). В ускорительном канале в зоне электриче-
ского разряда и на начальном участке струи, где происходит взаимодействие пучка
ускоренных ионов с медленной плазмой нейтрализатора и вторичной плазмой, воз-
никают разнообразные неустойчивости [1] и генерируются интенсивные колебания
[2-4]. Многие типы подобных пучково-плазменных колебаний эквивалентны эф-
фективным столкновениям [5] электронов и ионов. Поэтому для описания динами-
ки потока в выхлопном факеле ЭРД вполне оправдано применение континуального
приближения.
Для расчета расширения струи была использована система уравнений Брагинско-
го, описывающая динамику полностью ионизованной плазмы [6]. В этих уравнениях
учтено влияние электрических и магнитных полей, а также электрических токов на
динамику струи.
920
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Результаты экспериментальных испытаний и численные расчеты струй ЭРД де-
монстрируют, что автомодельные решения хорошо совпадают как с эксперименталь-
ными данными, так с результатами численных решений. Например, ЭРД типа ДАС
(двигатель с анодным слоем) или СПД (стационарный плазменный двигатель) соз-
дают полый плазменный поток, который на расстоянии одного-двух калибров пре-
образуется в автомодельный поток с монотонно уменьшающимися по радиусу па-
раметрами.
Решения системы Брагинского относительно двумерных и трехмерных плазмен-
ных струй найдены в автомодельном виде [7, 8]. Такие решения получили название
Self-Similar Model (SSM) [9].
Характер течения струи определяют следующие критерии:
• число Маха М\
• параметр магнитного взаимодействия S [8] (параметр Ампера), характеризую-
щий влияние магнитного поля на струю (при S < 1 - магнитное поле не влияет
на динамику плазменной струи, а при S> 1 - сильно влияет):
£ _ с и2В2па3а'
2NT ’
• параметр П [7], характеризующий относительную роль процессов переноса в
плазме, в частности, ее теплопроводность (П < 1 - в плотных потоках, генери-
руемых например дуговыми двигателями; П > 1 - в разреженных потоках, ге-
нерируемых двигателями с замкнутым дрейфом электронов):
• аналог числа Кнудсена, характеризующий эффективность перезарядки ионов
пучка на нейтральных частицах фона:
а
В приведенных выше выражениях использованы следующие обозначения: су - прово-
димость плазмы; Т - температура, Т = Те + 1}; и - скорость струи; а = а(х) - харак-
терный поперечный размер струи; а' = daldx - расходимость струи; N - расход ио-
нов; В - индукция магнитного поля; т, - масса иона; е - заряд; у - показатель адиаба-
ты; Хсех - длина пробега иона до перезарядки.
3 .4.1.1. Разлет плазменной струи в условиях геостационарной орбиты
Характерные значения критериев струй ЭРД, инжектированных на геостационар-
ной орбите (ГСО) и в стенде с хорошим вакуумом, следующие:
S«l, Л/»1, П> 1, Кп »1.
Интерес представляют два частных случая [9]. Первый (VT=0) реализуется при
выравнивании температуры в струе из-за большой теплопроводности плазмы (П > 1).
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА
921
Рис. 3.4.1. Изоконцентрали n/nQ струи холловского двигателя ДАС Д-55 при его работе в режиме
300 В; 4,5 А (а) и струи дугового двигателя «Эпикур» при его работе в режиме 28 В; 70 А (б)
Такая ситуация типична в разреженных плазменных струях двигателей холловского
типа: СПД и ДАС. Второй случай (V2 = и2 + w2 = const, П < 1) реализуется в плотном
потоке с постоянной по сечению энтальпией. Такая ситуация соответствует низко-
скоростным, высокорасходным струям дуговых двигателей.
Распределение параметров потока в дальней зоне струи, где а^>а0, характеризу-
ется расходом частиц в струе N, ее предельной скоростью ит, показателем адиабаты
у и величиной расходимости потока к = 11(ат')2.
На рис. 3.4.1 показаны изоконцентрали (п/по), рассчитанные для плазменных
струй двух ускорителей: двигателя ДАС Д-55 (изотермический режим расширения,
По = 5-Ю17 м"3, и = 2-104 м-с"1,N = 2-Ю19 с"1, к = 26) и генератора плазмы «Эпикур» [10]
(адиабатический режим расширения при дТ/дг = <\ nQ = 4-1018м"3, и = 2-103 м-с"1,
N = 2-1020 с"1, к=У). Расчеты проведены с использованием программы DYNAMIC
[11]. Видно, что плазменные образования, создаваемые этими ЭРД, заметно отли-
чаются друг от друга.
3 .4.1.2. Динамика плазменной струи в геомагнитном поле па низких орбитах
ИПО, создаваемые ЭРД, - это поток энергичных ионов в плазме с относительно
горячими электронами. Такой поток эффективно удерживается МПЗ от разлета попе-
рек магнитных силовых линий. Вследствие этого вблизи КА возникают достаточно
плотные ИПО, имеющие специфическую конфигурацию.
По мере расширения струи, истекающей в пустое пространство, давление в ней
падает и на некотором расстоянии от источника его поперечный градиент становится
равным плотности силы Ампера. Влияние геомагнитного поля определяется величи-
ной приведенного выше параметра электромагнитного взаимодействия £ (параметра
Ампера), равного отношению масштаба поперечных электромагнитных сил к гради-
енту давления [7]. Разлет струи можно условно разделить на три стадии: £ < 1, S ~ 1 и
S> 1, каждая из которых имеет свои особенности.
На начальном участке струи реального ЭРД геомагнитное поле практически не
влияет на распространение плазмы, пока S < 1. Разлет здесь происходит инерционно.
922
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Перестройка течения происходит на малом участке вблизи х = Хв (см. рис. 3.4.2),
где параметр S ~ 1. Здесь расширение плазмы поперек магнитного поля замедляется
до скорости поперечной диффузии плазмы в магнитном поле В. Скорость же распро-
странения вдоль поля В равна приблизительно скорости инерционного разлета. Раз-
ность этих скоростей сказывается на конфигурации плазменных выхлопов и опреде-
лятся питч-углом у между векторами U и В. Если вектор скорости струи U направлен
вдоль силовых линий магнитного поля (у = 0), то изоконцентрали имеют вид спиц,
продольный размер которых намного превышает поперечный (д' < 1). Радиальные
потоки ионов при х > Хв и г > гв много меньше, чем при коническом разлете, харак-
терном для струи газа.
Рис. 3.4.2. Изоконцентрали ис, [см 3] в струе ДАС Д-55 при параметрах: а - у = 0, So > 1
(видна перестройка течения при х = хв)', б - у = 90°, So > 1
На рис. 3.4.2а показана конфигурация плазменной струи, истекающей вдоль маг-
нитного поля: зависимость а(х) - изменение поперечного размера струи, изображена
жирной линией, а тонкими линиями - изоконцентрали п = const.
Если струя истекает поперек магнитных силовых линий (у < 90°), то поверхности
изоконцентралей приобретают вид лепестка, плоскость симметрии которого парал-
лельна векторам U и В. Возникающая в струе система токов сжимает ее в направле-
нии оси ±У, ориентированной вдоль U х В, и тормозит по оси X, направленной вдоль
U. Потоки ионов поперек плоскости лепестка при х > хв и г > гв много меньше, чем
при коническом разлете, но вдоль В, т. е. параллельно плоскости плазменного лепе-
стка, они несколько больше. Для таких плазменных образований характерно, что по-
перечный градиент концентрации плазмы много больше продольного а
изменение концентрации п вдоль струи слабо. Поэтому эти ИПО похожи по своим
радиофизическим характеристикам на плоско-слоистые плазменные неоднородности.
На рис. 3.4.26 показаны изоконцентрали в ИПО, возникающем в струе ДАС Д-55,
которая истекает поперек магнитного поля (у = 90°).
Воздействие поля В на плазменный выхлоп определяется электрическими токами
j, генерируемыми в плазме под воздействием поля поляризации Е = UxB. Если по-
ток ионов в струе невелик и концентрация плазмы в выхлопе не сильно превышает
концентрацию ионосферного фона, то токи j замыкаются преимущественно через
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА
923
Таблица 3.4.1
Значения xfi для ЭРД разных типов при работе на различных орбитах
Тип двигателя, хв, м, на высоте
основные параметры 300 км В = 0,5 Ге 1 300 км В = 0,3 Ге 7 000 км В = 0,05 Ге
ДАС Д-55, СПД-100, СПД Т-100 [ 14] N =2-10”с-1, 1/ = 1,7-104 м-с~‘, Гс = 2,5эВ 0,84 1,10 3,50
ЭПГ «Эпикур» [10], N = 2-102" с"1, U= 2-10’ м-с"', Гс = О,ЗэВ 2,70 3,80 12,70
Ионный двигатель (Hg) [15] N = 1,25-10” с"1, U= 3,2-104 м-с"1, Те = 1 эВ 0,25 0,35 1,15
Ионный двигатель NSTAR (Хе) [15] N = 3,75 1018 с"1, U= 3,2-104 м-с"1, Тс = 5 эВ 0,27 0,39 1,27
Дуговой двигатель (Arcjet) [16] N = 2-1021 с"1, U = 4,5-10’ м с"1, Г,. = 0,3 эВ 2,20 3,20 10,60
поля сначала сказывается на изменении попе-
плазмы в струе. Условие такого воздействия
фоновую плазму, поляризация в плазме снимается на небольшом расстоянии. Этот
режим расширения плазмы рассмотрен в [12, 13]. На динамику достаточно мощных и
плотных струй ЭРД ионосферная плазма практически не влияет.
Воздействие внешнего магнитного
речного распределения концентрации
можно записать следующим образом:
\1/3
NT j
а u2B2nd I
Дальше вдоль струи (при х > хв) магнитное поле искажает и линии потока ионов.
Зону струи, не возмущенную геомагнитным полем, можно ограничить размером:
( NTk2 '
(c^w2#2^,
г < гв = хва'.
х<*в =
В табл. 3.4.1 приведены значения хв для
некоторых ЭРД, работающих на разных вы-
сотах.
Геометрический предел влияния геомаг-
нитного поля на разлет плазмы в зависимо-
сти от высоты орбиты представлен на
рис. 3.4.3. Графики построены для струи
источника плазмы СПД или ДАС мощ-
ностью 1,35 кВт. Показана зависимость
продольного размера хв от высоты орбиты
(или, другими словами, от величины внеш-
него магнитного поля) и соответствующего
поперечного размера струи гв. Из рисунка
Граница невозмущенной области, м
Рис. 3.4.3. Границы зоны влияния
геомагнитного поля на разлет плазменной
струи ДАС Д-55 в зависимости
от высоты орбиты h
924
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
видно, что на высотах 300-3 000 км невозмущенная зона струи имеет размеры
хв ~ 2-3 м и гв ~ 0,5-1 м , а на ГСО хв ~ 40 м и гв ~ 6 м.
Из сказанного выше можно сделать следующие выводы:
1. Под влиянием МПЗ поверхности изоконцентралей выхлопных плазменных
струй ЭРД для уровней плотности, превышающих на 2-3 порядка уровень плотности
фона, приобретают специфические трехмерные конфигурации, размеры которых со-
поставимы с размерами современных КА или превышают их.
2. Влияние МПЗ на околоземных орбитах начинает сказываться уже с расстояний
хв ~ 2-3 м. В области ГСО влияние МПЗ необходимо учитывать при расчете ради-
ального расширения потока ионов начиная с расстояния хв > 40 м.
3. Особенности расширения плазменных струй в магнитном поле необходимо
учитывать при решении вопросов их воздействия на элементы и системы КА, в част-
ности при расчете силового и эрозионного воздействия, а также при анализе помех
радиосвязи.
3.4.2. Вторичная плазма вблизи КА, возникающая при работе плазменных
двигателей
При работе ЭРД в выхлопном факеле образуется вторичная плазма. В космиче-
ских условиях поток вторичных ионов по сравнению с потоком направленной струи
факела, как правило, невелик. Однако суммарное воздействие потоков вторичных
ионов на КА с большим сроком службы может оказаться значительным. В отличие от
струи ЭРД, ионы которой имеют узкую диаграмму направленности, вторичные ионы
разлетаются по всем направлениям из зоны своего рождения, расположенной вблизи
выходного отверстия двигателя. Возникающие радиальные и обратные потоки вто-
ричных ионов попадают на все близлежащие элементы конструкции КА, недоступ-
ные для струи факела.
Вторичная плазма образуется при перезарядке и ионизации нейтральных атомов
и молекул, оказавшихся в струе ЭРД. В космических условиях плотность нейтраль-
ного компонента в зоне разлета основной струи определяется потоками неионизо-
вавшегося рабочего вещества из анода двигателя (-5-10% расхода) и из катода-
компенсатора (еще 10% расхода), а также нейтральными частицами собственной
внешней атмосферы (СВА). В стенде плотность атомов определяется остаточным
давлением в камере и потоками нейтралов из двигателя. Так как скорость нейтраль-
ных частиц почти на два порядка меньше, чем скорость ионов первичной струи, их
концентрация в зоне образования вторичной плазмы оказывается больше или одного
порядка с концентрацией первичной плазменной струи. Концентрация возникающих
ионов вторичной плазмы может быть меньше или одного порядка с концентрацией
первичных ионов. Потоки вторичной плазмы существенно влияют на процессы эро-
зионного и силового воздействия на близлежащие элементы конструкции КА, на све-
чение плазмы вблизи ЭРД, а также на процессы генерации разности потенциалов и
электрических токов в элементах конструкции КА.
Основными процессами рождения вторичных ионов являются ионизация элек-
тронным ударом и перезарядка быстрых ионов. Эффективность указанных процессов
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА
925
определяется сечениями взаимодействий
частиц и их концентрацией. Поэтому оба
процесса происходят на относительно
малом начальном участке струи, где
плотности потоков нейтральных частиц и
ионов достаточно высоки.
Из рассмотрения рис. 3.4.4 видно, что
область генерации вторичной плазмы за-
нимает сравнительно большой объем
внутри плазменной струи.
На рис. 3.4.5а экспериментальные дан-
ные сопоставлены с результатами теоре-
тических расчетов [17, 18] распределений
радиальной jr и аксиальной jx составляю-
Рис. 3.4.4. Зоны рождения вторичной плазмы:
/1 - поток ионов из ЭРД; /2 -поток вторичных
ионов; и - поток нейтральных частиц из ЭРД
щих плотности ионного тока в струе двигателя Д-80 вдоль линии, параллельной оси
струи на расстоянии г = 45 см от оси. На рис. 3.4.56 представлены составляющие jx и
jr обратных потоков ионов в заднюю полусферу при х = -0,5 см.
Анализ механизмов образования вторичной плазмы и результатов расчета се ос-
новных характеристик показал следующее.
1. При работе ЭРД всегда образуется облако вторичной плазмы.
2. Зона рождения вторичных ионов определяется расстояниями, в пределах кото-
рых, во-первых, достаточно высокой остается плотность первичного потока, а во-
вторых, температура электронов еще достаточно велика.
3. Ионы вторичной плазмы движутся во все стороны из зоны своего рождения, но
преимущественно поперек оси основного плазменного потока и назад.
4. При разлете вторичные ионы набирают в электростатическом поле выхлопной
струи энергию -10-30 эВ, определяемую преимущественно величиной поперечной
разности потенциалов. Такая оценка значений энергии совпадает с результатами экс-
перимента [19].
мА-см
0,3
0,1
Рис. 3.4.5. Распределение радиальной jr (1) и аксиальной jx (2) составляющих плотности тока:
а - вторичных ионов вдоль оси первичного потока; б - плотности обратного потока
ионов поперек оси первичного потока при х = -0,5 см
ji, мА-см 2
926 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
3.4.3. Сопоставление моделей плазменных струй с результатами космических
экспериментов
3.4.3.1. Эксперименты на геостационарном КА «Экспресс»
На борту геостационарного КА «Экспресс» в качестве тяговых модулей были ис-
пользованы двигатели СПД-100, создающие тягу в направлении ±У «запад-восток»
(двигатели основные Tl, Т2 и резервные RT1, RT2) и в направлении ±Z «север-юг»
(двигатели основные ТЗ, Т4 и резервные RT3, RT4). Благодаря установленной диаг-
ностической аппаратуре стало возможным проведение комплексных исследований
параметров струй ЭРД СПД-100 и их силового воздействия на динамику КА.
На борту КА «Экспресс-А» (№ 2, 3) были проведены следующие исследования.
1. Измерены с помощью многосеточных датчиков распределения плотностей тока
ионов в двух сечениях на расстоянии от ЭРД Х\ = 3,75 м и х2 = 8,8 м. Эти датчики бы-
ли расположены на раме солнечной батареи (СБ). Такие же измерения проведены в
одной точке на расстоянии ~1 м на периферии струи датчиком, расположенным на
корпусе КА. Панели СБ были ориентированы вдоль оси Z, поэтому измерения плот-
ности тока ионов в выхлопных струях ЭРД относятся только к двигателям ТЗ, RT3 и
Т4, RT4.
2. С помощью тех же датчиков измерены распределения по энергиям потоков
ионов.
3. Измерена тяга всех четырех пар двигателей. Зафиксировано значительное
уменьшение их тяги по сравнению с данными измерений в вакуумной камере в ходе
наземной отработки. Кроме этого, было зарегистрировано изменение величины тяги
в ходе проведения эксперимента.
4. Измерены три компоненты вращающих моментов, возникающих при обтека-
нии струей плазмы панелей СБ.
5. Измерены напряженности электрического поля вблизи поверхности КА.
Панели СБ поворачивались в полете и оказывались под разными углами относи-
тельно вектора скорости струи. Таким образом получены зависимости перечисленных
параметров от угла поворота СБ 0.
Комплекс полученных летных данных
совместно с данными стендовых исследо-
ваний двигателя СПД-100 [20] позволяет
провести надежную верификацию теорети-
ческих моделей.
Для верификации SSM-модели осесим-
метричной струи зависимости j3(x,r), полу-
ченные в эксперименте, представлены на
рис. 3.4.6 в виде:
уэ(х, г) a2 =f(r2 / а2) С, С = Jy / я.
Здесь хиг - цилиндрические координаты;
- суммарный ионный ток в струе; v -
численный коэффициент. Зависимости
а = а(х) и f(r2/a2) рассчитаны с использо-
Рис. 3.4.6. Распределение аксиальной
плотности тока ионов на КА «Экспресс»,
преобразованное с помощью SSM-модели
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА
927
ванием параметров струи, полученных в
стенде [20]. Оказалось, что в условиях кос-
моса температура электронов в струе замет-
но выше, чем в стенде. На рис. 3.4.6 сплош-
ная линия соответствует теоретической за-
висимости, рассчитанной с использованием
SSM-модели.
Если бы были верны математические
модели, основанные на гипотезе о кониче-
ском истечении струи в вакуум [21-23], то
экспериментальные данные, полученные в
стенде и в космосе, должны удовлетворять
зависимости:
Л(р,0)=Л(Ро,О)4/(0)-
р
Здесь р и 0 - координаты сферической сис-
темы координат с центром на оси ЭРД в его
выходном сечении; р0 - тестовое расстояние
Рис. 3.4.7. Распределение радиальной
плотности тока ионов, полученных в стенде
и на КА «Экспресс» и преобразованных
с применением конической модели разлета
струи; о - данные [20]
(в большинстве стендовых испытаний
выбрано ро = 1 м);уг(ро,О) - плотность радиального тока ионов в стенде на оси струи;
/(0) - угловая зависимость jr.
На рис. 3.4.7 приведено сопоставление с теми же экспериментальными данными
указанной конической зависимости. Экспериментальные значения, полученные на
разных расстояниях, пересчитаны на расстояние r0 = 1 м с использованием кониче-
ской аппроксимации. Видно, что экспериментальные значения, полученные и в кос-
мосе, и в вакуумной камере, не подтверждают гипотезу о коническом истечении вы-
хлопной плазменной струи в вакуум.
Вращающие моменты, возникающие при работе СПД, были измерены в зависи-
мости от угла поворота СБ ср. Две пары СПД создают струи в плоскости, параллель-
ной оси вращения панелей СБ, под углами а = ±5°40' к оси СБ. Векторы тяги одной
пары (ТЗ и RT3) проходят через центр масс КА, а другой пары (Т4 и RT4) - не про-
ходят.
На рис. 3.4.8 приведены результаты расчетов всех трех компонент Мх, MY, М2 вра-
щающего момента, возникающего на КА «Экспресс» при обтекании струей ЭРД па-
нелей СБ. Светлые символы соответствуют экспериментальным значениям момен-
тов, появляющихся при работе основных двигателей ТЗ и Т4, а темные символы -
резервным двигателям RT3 и RT4.
Согласно SSM-модели плотности потока ионов на периферии струи заметно
больше, чем в моделях, основанных на предположении о простом коническом разле-
те струи. Это связано с тем, что в SSM-модели принимается во внимание значитель-
ное дополнительное расширение струи в дальней зоне под действием электрического
поля. В модели учитывается также, что вблизи обтекаемой плазмой поверхности воз-
никает дебаевский слой с перепадом потенциала, в котором ионы дополнительно
ускоряются [24]. Оба эффекта приводят к значительному увеличению плотности си-
лы, действующей на дальнюю часть СБ. За счет большого плеча эта сила существен-
928
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Рис. 3.4.8. Сравнение рассчитанных моментов (линии) с летными данными КА «Экспресс»
(символы) для двигателей: а - ТЗ (пунктир), RT3 (сплошная линия);
б - Т4 (пунктир), RT4 (сплошная линия). 1 - Мх\ 2 - Му\ 3 - М2
но влияет на величины Му и Мх. Для расчетов величин моментов, приведенных выше,
использованы экспериментально измеренные значения коэффициентов аккомодации
ос/;и ат [25].
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что в условиях
космического вакуума плазменная струя ЭРД расширяется значительно интенсивнее,
чем в вакуумной камере. Поэтому на элементы конструкции КА падает больший по-
ток ионов, чем следует из предположения о коническом расширении. Увеличение
ионного тока приводит к увеличению эрозии поверхностей КА, возрастанию крутя-
щих моментов, а также к снижению эффективной тяги самого двигателя.
3.4.3.2. Эксперименты на низких околоземных орбитах по программе «Эпикур»
и на КА «Метеор»
Эксперимент «Эпикур»
Плазменный натурный эксперимент по программе «Эпикур» был проведен на
борту КА «Космос-1818» и «Космос-1867» в 1987 г. В нем несколькими независи-
мыми способами было показано, что плазменный выхлоп на низкой околоземной
орбите имеет не коническую форму, а лепесткообразную или спицеобразную в зави-
симости от питч-угла у между осью струи и вектором магнитной индукции.
Во время проведения эксперимента были соблюдены следующие условия:
• круговая орбита с высотой h = 800 км и наклонением i = 65,2° воспроизводи-
лась через каждые 99 витков;
• КА стабилизирован на орбите и строго ориентирован по вектору скорости в ор-
битальной системе координат;
• струя ЭПГ была направлена «назад-вниз» в плоскости орбиты, угол между
векторами скорости КА и скорости струи был равен 150°;
• концентрация фоновой плазмы низкая, индукция МПЗ достаточно высокая, ве-
личина питч-угла у изменяется в широком диапазоне;
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА
929
• телеметрическая информация и сеть на-
земных измерительных пунктов давали
широкий спектр регистрируемых пара-
метров;
• ЭПГ работал по следующей цикло-
грамме: 16 с - период генерации плаз-
менной струи с фиксируемыми харак-
теристиками, 8 с - пауза, что позволило
однозначно выделить эффекты, связан-
ные с работой ЭПГ.
Для регистрации локальных значений
магнитного поля были установлены два блока
аппаратуры магнитных измерений (АМИ)
разработки ИЗМИРАН, представляющие со-
бой трехкомпонентные феррозондовые дат-
чики.
На рис. 3.4.9 показана геометрия ИПО при
проведении эксперимента над Москвой. Изо-
браженный на рисунке плазменный лепесток
В У
ограничен по уровню концентрации электро- п . . п .
г _3 г г Рис. 3.4.9. Конфигурация струи
НОВ — nQ — 2-10 М . в эксперименте «Эпикур»
Генератор плазмы аппаратуры «Эпикур»
во время работы на борту создавал струю цезиевой плазмы с расходом N = 2-1020 с"1
и скоростью ионов U~ 2-103 м-с"1. Трехмерная конфигурация плазменного выхлопа
была подтверждена несколькими независимыми методами.
Первый пример относится к радиоизмерениям. На борту КА работали радиопе-
редатчики в диапазоне длин волн X = 1,8 м и X = 0,12 м. В ходе эксперимента была
задействована большая сеть наземных приемных пунктов, фиксирующих ампли-
туду принимаемых сигналов. Плазма частично экранировала радиосигнал борто-
Рис. 3.4.10. Форма радиотени на
поверхности Земли для различных Z:
1 - 1,8 м; 2 - 0,12 м. L - расстояние
вдоль трассы, КА - положение
подспутниковой точки
вых антенн и искажала их диаграмму направ-
ленности. На Земле фиксировалась форма
радиотени.
На рис. 3.4.10 показано сравнение рассчи-
танной формы радиотени на поверхности Зем-
ли в центрально-европейской области (линии)
с экспериментальными значениями. Темные
символы соответствуют восходящим участкам
траектории КА, а светлые - нисходящим.
Сравнение проведено для двух указанных
выше диапазонов длин волн. Анализ показал
следующее.
1. Излучающая система (расположение ан-
тенн относительно ЭПГ) симметрична относи-
тельно плоскости орбиты, но радиотень несим-
метрична относительно трассы полета КА.
930
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Рис. 3.4.11. Сравнение экспериментальных
и теоретических значений ЭПР ИПО:
1 - виток-аналог № 6; 2 - виток-аналог № 77
2. Форма радиотени различна на восхо-
дящих и нисходящих участках траектории
при одинаковых географических коорди-
натах КА. Единственное отличие - различ-
ные направления вектора магнитной индук-
ции относительно вектора скорости плаз-
менной струи.
3. Формы радиотени, рассчитанные с
использованием наших моделей на участ-
ках траектории, для которых вектор скоро-
сти струи направлен под разными углами к
магнитному полю (рис. 3.4.9), практически
совпали с экспериментальными данными
(символы на рис. 3.4.10).
Второй пример относится к радиозонди-
рованию КА с плазменной струей. По ра-
диофизическим характеристикам замагниченную часть ИПО можно рассматривать как
плоско-слоистую среду. Это сказывается, в частности, на резкой угловой анизотропии
отражательных характеристик ИПО.
На рис. 3.4.11 представлены результаты расчетов эффективной поверхности рас-
сеяния (ЭПР) для длины волны X = 1,8 м на двух витках-аналогах № 6 и № 77 в зави-
симости от угла между лучом наблюдения и вектором скорости КА. Струя истекала
практически поперек геомагнитного поля. Направление наблюдения изменялось от
«спереди-сбоку» до «сбоку», т. е. от почти перпендикулярного плоскости плазмен-
ного лепестка до наблюдения его ребра. Точками показаны экспериментальные зна-
чения на этих витках. Сравнение расчетных и экспериментальных данных позволяет
сделать вывод о правильности теоретического представления о трехмерной лепест-
кообразной конфигурации ИПО на околоземной орбите.
Третий пример основан на магнитных измерениях. Возмущение геомагнитного
поля регистрировалось двумя комплектами трехкомпонентных датчиков АМИ, уста-
новленными на штанге на расстоянии 4,5 и 7 м от заднего фланца КА [26] (подробнее
об этих измерениях см. разд. 3.4.6.1). Измеренные возмущения МПЗ соответствуют
диамагнитному вытеснению магнитного поля из объема проводящей плазменной
струи. Трехмерная картина возмущения геомагнитного поля отвечает трехмерной
модели плазменного лепестка, в котором при расширении поперек линий магнитной
индукции генерируется электрический ток. Полученные экспериментальные данные
свидетельствуют о корректности системы токов внутри плазменной струи, соответ-
ствующей модели взаимодействия струи плотной низкотемпературной плазмы с
внешним магнитным полем.
Эксперимент «Метеор»
В ходе летного эксперимента [27] на борту КА «Метеор» исследовались характе-
ристики двигателя СПД-60. КА имел почти круговую полярную орбиту с высотой
h = 900 км и наклонением i = 82°. Было, в частности, зафиксировано в течение одно-
го витка изменение всех трех составляющих крутящего момента, возникающего в
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА
931
результате воздействия струи СПД на пане-
ли СБ. Ориентация СБ на КА, а также на-
правление истечения струи были неизмен-
ными на указанном витке. Поэтому сам
факт изменения величины момента прямо
свидетельствует об изменении конфигура-
ции струи от экватора к полюсу. Естествен-
ной и единственной причиной этого может
быть только изменение величины и направ-
ления геомагнитного поля относительно
струи двигателя.
На рис. 3.4.12 представлены измеренные
(символы) и рассчитанные (сплошная ли-
ния) с использованием SSM-модели и моде-
ли МПЗ IGRF2000 зависимости крутящего
момента от времени. Текущее время t для
Рис. 3.4.12. Изменение величины крутящего
момента в течение одного витка
КА «Метеор»
данного витка отчитывается от экватора. Все особенности временных зависимостей
M(t) согласуются с изменениями конфигурации плазменного лепестка:
• вблизи экватора (/ = 0 и t = 50 мин), где U || В, струя имеет форму тонкой спи-
цы, которая почти не касается панелей СБ, поэтому не создает момента;
• в средних широтах (/ = 5-15 мин и t = 35-45 мин), где магнитное поле направля-
ет плазменный лепесток ребром на СБ, возникают максимальные моменты;
• вблизи полюса (/ = 25 мин), где U±B, струя представляет собой сравнительно
тонкий лепесток, ориентированный почти в вертикальной плоскости, центр
приложения силы к плоскости СБ изменяется при повороте плоскости лепест-
ка, соответственно изменяется крутящий момент.
Таким образом, на основе сопоставления с экспериментальными данными была
проведена верификация теоретической модели разлета плазменных струй в космосе.
Результаты космических экспериментов подтверждают определяющее влияние на
динамику выхлопа как внутреннего электрического самосогласованного поля, так и
внешнего геомагнитного поля, корректный учет которых является отличительной
особенностью SSM-модели.
Распределение параметров в выхлопных плазменных струях из-за воздействия
внутреннего электрического поля значительно отличается от подобного распределе-
ния в нейтральных газовых струях. Это определяет особенности эффектов воздейст-
вия плазменных струй на КА и их системы.
3.4.4. Расширение сгустков плазмы в геомагнитном поле
На начальной стадии разлета относительно плотных и горячих сгустков, созда-
ваемых, например, импульсными двигателями, их взаимодействие с ионосферным
фоном не влияет на динамику сгустка. В этом они значительно отличаются от пове-
дения разреженных холодных сгустков в плотной фоновой плазме, подробно иссле-
дованного в работах [12, 13]. Процесс разлета может быть описан системой уравне-
ний Брагинского [6]. Методика расчета параметров нестационарных двумерных и
932
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Рис. 3.4.13. Инверсия
формы плазменного
сгустка
трехмерных сгустков в магнитном поле упрощается за счет того, что продольный
инерционный разлет сгустка происходит независимо от его поперечного диффузион-
ного расширения, на которое практически не влияют малые продольные электриче-
ские токи и слабое вращение сгустка.
Алгоритм расчета параметров плазменных выхлопов импульсного двигателя с
учетом внутреннего электрического поля реализован в программе DYNAMIC [И].
На начальной стадии разлета, пока магнитное поле почти не влияет на его динамику,
характерной особенностью трехмерного расширения сгустка является различное ус-
корение вдоль разных осей. Наибольшей оказывается скорость вдоль той координаты,
которая соответствует наименьшему начальному размеру и наибольшей напряжен-
ности электрического поля. Соответственно и размер сгустка вдоль этой координаты
через некоторое время оказывается наибольшим. Происходит инверсия размеров сгуст-
ка, схематично изображенная на рис. 3.4.13. Например, плазмоид, созданный в виде
сгустка, вытянутого вдоль оси X, при разлете превращается в
диск с наименьшим размером вдоль X. Физический смысл та-
кой инверсии состоит в следующем: тепловая энергия, запа-
сенная в сгустке, превращается в кинетическую энергию раз-
лета преимущественно в том направлении, вдоль которого воз-
никает наибольший градиент электрического потенциала.
По мере расширения сгустка величина параметра Ампера
в нем возрастает. При этом скорость поперечного расширения
уменьшается до скорости диффузии плазмы поперек В. Раз-
лет вдоль магнитных силовых линий продолжается с боль-
шой скоростью, соответствующей инерционному разлету в
вакуум. Сгусток принимает форму спицы, вытянутой вдоль
вектора В [28]. Диффузионная стадия разлета самая продол-
жительная. Например, небольшой сгусток плазмы, созданный
импульсным двигателем в ионосфере [29], разлетается до ста-
дии, когда S~ 1, за время 10"4 с. Дальнейшее же его расшире-
ние до уровня концентрации частиц в сгустке п = 108 см-3
продолжается примерно 10"2 с.
Пример расчета изменения во времени формы сгустка,
созданного ЭРД импульсного действия в упомянутом косми-
ческом эксперименте, приведен на рис. 3.4.14. На рисунке по-
казано направление магнитного поля В и направление инжек-
ции сгустка U/.
В ходе проведения эксперимента во время работы им-
пульсного двигателя зафиксированы сбои радиосвязи в мет-
ровом диапазоне длин волн, которому соответствует критиче-
ская концентрация лкр = 108см"3. Доля потерянной информа-
ции хорошо совпадает с отношением времени жизни сгустка
замагниченной плазмы с плотностью п > икр ко времени меж-
ду импульсами двигателя. Это является косвенным подтвер-
ждением справедливости математической модели спицеоб-
разного сгустка. сгустка [29]
Рис. 3.4.14. Расчетное
изменение формы
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА 933
3.4.5. Формирование собственной внешней ионосферы при истечении
газовых потоков из систем КА
Под действием излучения Солнца и набегающего потока ионосферной плазмы га-
зовая составляющая СВА КА ионизуется, и возникает собственная внешняя ионо-
сфера (СВИ) КА, отличающаяся от фоновой ионосферы более высокой плотностью
ионизованных и возбужденных частиц.
Из количественного анализа вероятности процессов ионизации и возбуждения
следует, что основными факторами, которые могут приводить к ионизации СВА на
низкой околоземной орбите, являются солнечное излучение и набегающий поток
ионов и атомов кислорода [30].
Для иллюстрации приведены результаты расчета распределения электронной
концентрации в СВИ Международной космической станции (МКС) для двух источ-
ников:
• струи малого двигателя коррекции (с тягой ~13 кг-с), установленного на слу-
жебном модуле МКС или на корабле «Прогресс»;
• СВА, возникающей около КА в течение нескольких секунд после работы жид-
костных ракетных двигателей (ЖРД), при этом параметры газовой составляю-
щей взяты из данных измерений на орбитальной станции «Мир» [31].
Распределение концентрации ионов в возникающем газоплазменном образовании
(ГПО) показано на рис. 3.4.15. В первом случае (рис. 3.4.15а) струя ЖРД истекает со
скоростью U перпендикулярно направлению движения КА, т. е. перпендикулярно к
набегающему потоку ионосферной плазмы ncVh под действием которого происходит
ионизация струи. Во втором случае (рис. 3.4.156) на сферически расширяющуюся
достаточно плотную СВА одновременно воздействуют набегающий поток ионосфе-
ры и излучение Солнца.
Рис. 3.4.15. Распределение плотности плазмы вокруг МКС: а - при инжекции струи ЖРД;
б - при ионизации плотной СВА
При расчете параметров ГПО использовалась программа GPF [32], разработанная
для расчета разнообразных ГПО, возникающих при воздействии факторов космиче-
934
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
ского пространства на стационарные и импульсные газовые выбросы из КА. Про-
грамма количественно верифицирована на результатах нескольких натурных экспе-
риментов. В частности, расчет интенсивности свечения ГПО, возникающего в струе
верньерного двигателя «Space Shuttle», количественно совпал [30] с результатами
измерений, сделанных в полете STS43 [33].
Таким образом, под воздействием излучения Солнца и кинетической энергии КА
возникают не очень плотные, но крупномасштабные плазменные образования. Из
рис. 3.4.15 видно, что, во-первых, масштаб газоплазменной неоднородности сопоста-
вим с размерами МКС и даже превосходит их, а во-вторых - при возникновении ГПО
разные элементы МКС оказываются в различном плазменном окружении. Вблизи
некоторых из них концентрация плазмы много больше, чем в ионосфере, а около
других - много меньше.
3.4.6. Электрофизические процессы в собственной внешней ионосфере
В струе ЭРД и в ГПО генерируются электрические поля со значительными пере-
падами потенциала. Градиенты потенциала как вдоль, так и поперек струи являются
причиной возникновения широкого круга явлений - электроразрядных процессов в
СВИ [17].
Из-за раздельного поступления и замыкания на металлические элементы КА по-
токов положительных и отрицательных зарядов в околообъсктовом пространстве и
по поверхности КА текут электрические токи. При электрической изоляции одних
частей КА от других токи короткого замыкания текут по каждому элементу раздель-
но. Интенсивность короткозамкнутых токов зависит от нескольких параметров, ко-
торые можно разделить на три группы: параметры плазмы, геометрические характе-
ристики КА и электротехнические характеристики его поверхностей. Потенциал,
который устанавливается на поверхности КА при работе ЭРД, зависит от выбранного
типа двигателя, его рабочих параметров и конструкционных особенностей.
Можно выделить несколько эффектов повреждающего и помехового воздействия
на КА плазменного окружения, практически важные характеристики которых опре-
деляются электроразрядными процессами.
1. Распыление поверхности КА при бомбардировке ее быстрыми ионами струи
ЭРД усиливается за счет приобретения ими дополнительной энергии (5-30 эВ) в ре-
зультате ускорения разностью потенциалов вблизи поверхности КА.
2. Доускорение ионов плазмы дает заметный вклад в силовое воздействие СВИ на
поверхность КА.
3. Некоторые типы электромагнитных колебаний, возникающие в СВИ вблизи
КА, определяются электроразрядными процессами в струе и токами короткого замы-
кания через его корпус. В разряде двигателя типа СПД всегда есть пульсации разряд-
ного тока. Частота этих нерегулярных колебаний составляет 20-100 кГц [2, 34], при
этом в петле, образованной струей ЭРД, СБ и корпусом КА и имеющей размеры
~10 м, возникают пульсации тока короткого замыкания с амплитудой -0,1-1 А. Та-
кой колебательный контур может создать весьма мощные наводки с частотой
20-100 кГц на электрические цепи КА.
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА 935
4. На низкой орбите, где велико влияние МПЗ, при протекании электрических то-
ков в металлических конструкциях КА возникают значительные электромагнитные
силы - силы Ампера, которые оказывают существенное воздействие на динамику
аппарата, создавая вращающие моменты.
З.4.6.1. Возмущение геомагнитного поля плазменной струей
При работе на борту КА генератора плазмы вблизи него наблюдаются локальные
искажения МПЗ. Этот эффект исследовался в эксперименте «Эпикур». Вектор скоро-
сти струи лежал в плоскости орбиты и был направлен под углом 150° к вектору ско-
рости КА, как показано на рис. 3.4.9. Два комплекта датчиков АМИ разработки ИЗ-
МИРАН располагались на штанге на расстояниях 4,5 и 7 м. Штанга была установлена
вдоль главной строительной оси КА, так что угол между осью струи и штангой со-
ставлял 30°. Каждый комплект АМИ измерял три компоненты МПЗ [35].
На рис. 3.4.16 показана геометрия задачи в системе координат, связанной со стру-
ей. Здесь L - штанга, на которой установлены два комплекта АМИ. Картина диамаг-
нитных токов в струе представляет собой сегмент тороида с овальным поперечным
сечением. Магнитное поле ДВ, генерируемое токовой структурой, внутри плазменно-
го образования направлено против внешнего магнитного поля В, а вне границ ИПО
результирующее поле превышает В. На рисунке изображены линии равной плот-
ности для уровня концентрации п = 3,4-108 см"3. Датчики фиксировали каждую се-
кунду компоненты суммарного поля ДВ + В (во время работы ЭПГ) и компоненты
геомагнитного поля В (во время паузы).
Рис. 3.4.16. Возмущение магнитного поля в эксперименте «Эпикур»
Сопоставление результатов теоретических расчетов магнитных возмущений и
данных эксперимента показано на рис. 3.4.17. Для выбранного участка траектории
оба датчика АМИ находятся внутри плазменного лепестка. По оси абсцисс отложено
расстояние вдоль штанги Л, на которой располагались датчики АМИ. Векторы ABj и
ДВ2 на рис. 3.4.16, полученные по телеметрическим данным 1-го и 2-го комплекта
датчиков АМИ, соответствуют этому участку траектории.
936
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Рис. 3.4.17. Сопоставление расчетного (линии) и измеренного (символы) магнитного
поля ИПО в эксперименте «Эпикур»
Приведенные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о корректнос-
ти модели взаимодействия струи плотной низкотемпературной плазмы с внешним
магнитным полем. Количественно диамагнитное возмущение геомагнитного поля
внутри плазменного образования имеет порядок Д5 = -nT\i/В, где п и Т концентра-
ция и температура электронов в ИПО.
3.4.6.2. Генерация плазменной струей электрических полей и токов на поверхности КА
Результаты экспериментов с ЭРД, проведенных в вакуумной камере, свидетельст-
вуют [36], что потенциал струи на 10-20 В выше потенциала корпуса стенда. Естест-
венно, что разность потенциалов между плазменной струей и металлическим корпу-
сом КА должна быть такого же порядка.
В балансе токов, поступающих на проводящие элементы конструкции КА (СБ,
корпус, оборудование, см. рис. 3.4.18), важна роль малого начального участка струи,
на котором генерируется облако относительно плотной вторичной плазмы. Здесь
электроны имеют сравнительно высокую температуру Ге0 ~ 6-10 эВ [37, 38]. Под
воздействием этой плазмы возникает потенциал корпуса относительно плазменной
струи -(20-30) В. Потоки горячих электронов начального участка струи, поступаю-
щих на корпус КА вблизи ЭРД через вторичную плазму, замыкаются суммой потоков
ионов на все участки КА, электрически связанные с его корпусом. Такое раздельное
поступление положительных и отрицательных зарядов из плазмы приводит к возник-
I первичная плазма - -> горячие электроны
вторичная плазма —> быстрые ионы
Рис. 3.4.18. Схема взаимодействия плазменного
выхлопа с элементами КА
новению тока короткого замыкания в ме-
таллической конструкции. Размер петли
тока определяется размерами тех участ-
ков проводящей поверхности КА, кото-
рые обтекаются плазмой.
Тестовые расчеты проведены с ис-
пользованием пакета программ, разрабо-
танных в ЦНИИМАШ: DYNAMIC [11]-
для расчета параметров первичной струи;
SPlaF и CFSP [39] - параметров вторич-
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА
937
ной плазмы; модифицированный вариант CFSP - для расчета токов короткого замы-
кания. Демонстрационные расчеты, результаты которых приведены ниже, сделаны
для следующих условий:
• двигатель СПД-100 работает в стационарном режиме (ускоряющее напряжение
300 В, разрядный ток 4,5 А, расход 4,2 мг-с"1);
• плазменная струя и облако вторичной плазмы имеют осесимметричную форму;
• геомагнитное поле и ионосферная плазма не влияют на динамику разлета
плазменного выхлопа (условия ГСО);
• поверхность корпуса КА - металлическая или обладает очень хорошей элект-
ропроводностью, а панели СБ покрыты проводящей пленкой.
Геометрия и размеры КА и СБ приблизительно соответствуют КА типа «Галс».
Плоскость СБ перпендикулярна оси струи ЭРД. Более подробно процессы генерации
токов рассмотрены в [40].
На рис. 3.4.19 приведены результаты расчета разности потенциалов Аср между
скользящим плазменным потоком и па-
нелью СБ, электрически изолированной от
корпуса КА. Плотности тока короткого за-
мыкания в этом случае характеризуются не-
большой интенсивностью (-0,07 А-м"2) и те-
кут по поверхности СБ преимущественно
поперек ее оси. Под воздействием достаточ-
но интенсивного потока горячих электронов
корпус КА заряжается относительно плазмы
струи СПД-100 до величины Аср « -19 В.
Если панели СБ не изолированы от кор-
пуса КА, то электронный ток, поступающий
из горячей плазмы вблизи ЭРД на корпус,
балансируется относительно большим током
первичных ионов, поступающих из струи с
холодными электронами на СБ. В резуль-
тате в электрически замкнутой системе
«корпус-СБ» устанавливается усредненный
потенциал <р$ = -9 В. Холодные электроны
струи вблизи СБ с Те - 2-3 эВ не могут его
преодолеть. Поэтому ток ионов, поступаю-
щих из струи на СБ, стекает на корпус КА и
здесь компенсируется горячими электрона-
ми начального участка струи. В результате
между СБ и корпусом течет ток 1П = 0,41 А.
На рис. 3.4.20 показано распределение (в раз-
вертке) по корпусу КА (типа «Галс») плот-
ности поверхностных токов i = z(y,z). Они
созданы горячими электронами и ионами
(первичными и вторичными), поступающи-
ми на корпус КА, и замкнутым током, сте-
кающим на корпус с панели СБ.
Рис. 3.4.19. Распределение разности
потенциалов Дер, [В], между плазмой
и поверхностью изолированной панели
Рис. 3.4.20. Распределение плотности
поверхностных токов /, [мА-м-1], текущих
по корпусу КА, электрически
соединенному с панелью СБ
938 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
3.4.6.3. Электростатические силы на поверхностях КА, обтекаемых плазмой
При использовании ЭРД как двигателя малой тяги для решения задач коррекции
орбиты типовой является такая компоновка КА, при которой струя ЭРД обтекает СБ.
При этом возникает ряд эффектов, связанных с тепловым и силовым воздействием
реактивных плазменных струй на КА в целом: происходит перехват части потока
ионов и потока энергии, уменьшается эффективная тяги ЭРД и создаются крутящие
моменты. Корректный расчет этих эффектов базируется на использовании математи-
ческой модели струи [7, 9]. Основная особенность ее состоит в учете самосогласо-
ванных электрических полей и токов, возникающих в струе и на обтекаемых ею по-
верхностях КА. Вклад эффектов, связанных с учетом электростатических полей и
соответствующих сил, оказывается весьма значительным при расчетах величины по-
терь тяги и моментов вращения на геостационарных КА. При контакте плазмы с по-
верхностью, на которой происходит поглощение или рекомбинация электронов и
ионов, в слое плазмы вблизи поверхности возникают дебаевские или ленгмюровские
слои. В них происходит разделение зарядов и падение потенциалов, регулирующее
потоки разноименных зарядов.
Как уже отмечалось, при работе ЭРД на борту КА или в стенде плазменный пучок
и вторичная плазма оказываются под потенциалом, на Дер ~ 20-30 В более высоким,
чем корпус КА или стенки металлического стенда [27]. Этот потенциал определяется
плазмой вблизи выходного сечения ЭРД, где температура электронов Гс ~ 10 эВ [14].
Ионы, идущие из плазмы на поверхность КА, ускоряются в приповерхностном слое.
Электрическое поле в слое создает электростатическую силу, направленную навстре-
чу потоку ускоренных ионов. В итоге суммарная сила давления плазмы на стенку и
поток энергии оказываются больше, чем были бы без падения потенциала в слое.
Электростатические эффекты приводят не только к увеличению энергии и импульса
ионов, бомбардирующих поверхность КА, но и к уменьшению угла падения ионов.
Ионы поворачиваются в электростатическом поле приповерхностного слоя и падают
на поверхность почти по нормали.
Для характерных значений параметров плазмы струи СПД, обтекающей панели
СБ на КА «Экспресс», увеличение нормаль-
ной силы в разреженной плазме за счет эф-
фектов в дебаевском слое составляет на
дальнем конце СБ десятки процентов [24].
Корректность оценок сильно зависит от ис-
пользуемой теоретической модели разлета
плазменного выхлопа ЭРД. На рис. 3.4.21
приведены результаты расчета для фиксиро-
ванной геометрии КА с двигателем СПД-100,
выполненного нами с использованием раз-
личных теоретических моделей струи:
• автомодельное распределение (SSM-mo-
дель) - кривая 1;
• аппроксимация Кэрни [41] - кривая 2;
• аппроксимация Робертса [42] - кривая 3;
• модель Нарасимы [43] — Кривая 4. по различным методикам
Рис. 3.4.21. Крутящие моменты,
рассчитанные для одинаковых условий
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА 939
При расчете были использованы следующие параметры струи Г=2эВ,
U = 17 000 м-с"1,1 = 4,5 А. Видно, что значение момента, рассчитанное по SSM-моде-
ли, почти вдвое превосходит прогнозы других моделей. Если при этом учесть, что
SSM-модель удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными [44],
можно считать такие прогнозы наиболее реальными.
3.4.6.4. Генерация высоковольтными СБ электроразрядпых процессов в СВИ КА
Рассмотрим процессы в газоплазменном окружении МКС, которые определяются
электрическим полем, создаваемым высоковольтными СБ американского сегмента
(s5= 160 В) и поляризацией станции при се движении поперек геомагнитного поля
(гр ~ 20 В). Отрицательный полюс СБ закорочен на корпус МКС, а активная сторона
панели СБ имеет электрический контакт с окружающей плазмой. Поэтому между
высоковольтными концами стрингов панелей СБ и корпусом МКС возникает ток
утечки с СБ через окружающую плазму, т. е. имеет место слабый электрический раз-
ряд. В этом разряде катодом являются все элементы корпуса МКС и часть СБ вблизи
ее отрицательного полюса. Анодом служит высоковольтная часть панели СБ.
При обтекании МКС только разреженной ионосферной плазмой разряд является
несамостоятельным слаботочным. При увеличении плотности окружающей плазмы
могут возникнуть различные сильноточные разряды. Электрический потенциал в
разрядном промежутке распределяется в зависимости от параметров плазменного
окружения и от свойств мозаичных поверхностей анода и катода, имеющих металли-
ческие и диэлектрические элементы.
Параметры плазменного окружения заметно меняются при работе ЖРД, исполь-
зуемых для позиционирования и ориентации станции, плазменных контакторов
(Plasma Contactor Unit - PCU), установленных на американском сегменте МКС, и
других бортовых источников газа и плазмы.
Плазменные контакторы (блок PCU) используются для исключения электрических
пробоев. Они создают струю ксеноновой плазмы, через которую происходит сброс
отрицательного заряда с корпуса МКС. В результате величина прикатодного падения
потенциала удерживается на уровне Асрс < 40 В при величине инжектируемого като-
дом тока до 10 А [45]. Однако при отключении PCU или при значительном изменении
плотности окружающей плазмы распределение потенциалов в пространственном
разряде может измениться, и величина прикатодного падения возрастет, т. е. увели-
чится отрицательное смещение корпуса МКС относительно окружающей плазмы.
В течение 2001 г. американскими учеными проведена серия экспериментальных
исследований параметров окружающей МКС плазмы и величины потенциала по-
верхности [46, 47]. В частности, были получены данные об изменении тока в цепи
«PCU-СБ» и о кратковременных возрастаниях потенциала станции при выключен-
ном блоке PCU, характеризующие плазменную обстановку вокруг станции.
Как уже указывалось (разд. 3.4.5), вокруг станции возникает СВИ с неоднородным
распределением плотности ионизованных частиц. Опираясь на результаты проведен-
ных исследований, можно прогнозировать следующие, наиболее часто реализуемые
электрофизические процессы, протекающие в плазменном окружении МКС:
• возникновение плазменного моста между положительно и отрицательно заря-
женными участками поверхности станции в тех случаях, когда струя ксеноно-
940
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
вой плазмы из блока PCU под действием геомагнитного поля направляется в
виде лепестка или спицы на анодные участки СБ или на те участки фермы СБ,
которые имеет положительный потенциал в результате поляризации;
• резкое увеличение тока, собираемого элементами МКС из плазменного окру-
жения, из-за кратковременного повышения плотности СВА при срабатывании
двигателей ЖРД или других газовыделяющих систем;
• появление искровых разрядов на отдельных участках поверхности МКС вслед-
ствие увеличения отрицательного потенциала корпуса станции.
На основе трехмерной SSM-модели разлета плазменной струи в геомагнитном
поле были рассчитаны параметры процесса возникновения плазменного моста.
Суть явления состоит в следующем. PCU создает струю плазмы с малым расхо-
дом 7V~ 2-1018 с-1 и малой скоростью (7=2 км-с"1 [45]. В такой струе, без учета влия-
ния магнитного поля, концентрация становится меньше фоновой на расстоянии в
несколько метров, т. е. много меньшем, чем расстояние до анода (панели СБ), кото-
рое равно 20-40 м. Согласно SSM-модели, под воздействием геомагнитного поля В
расширение струи плазмы поперек магнитных силовых линий ограничено. В резуль-
тате она приобретает форму тонкого лепестка, плоскость которого определяется век-
тором скорости струи и направлением геомагнитного поля В. При движении по ор-
бите ориентация плоскости лепестка относительно станции изменяется. На некото-
рых участках орбиты возникает такая конфигурация, при которой плазменный
лепесток обтекает активную (анодную) поверхность СБ (или положительно смещен-
ные участки фермы СБ). При этом плотность плазмы Хе+ вблизи СБ заметно превы-
шает плотность ионосферы. В такие моменты ток в цепи PCU возрастает. Рис. 3.4.22
иллюстрирует взаимное положение плазменной струи, показанной изоконцентраля-
ми, и МКС в таких условиях.
В ходе проведения американскими специалистами экспериментальных измерений
11 апреля 2001 г. сочетание орбитальных, геометрических и светотеневых характери-
стик было таким, что эффект плазменного моста реализовывался редко - только на
некоторых коротких участках отдельных витков. Если в такой ситуации ни один из
катодов PCU не работал, то потенциал станции падал, т. е. величина отрицательного
смещения Дсрс резко увеличивалась. Для прогнозирования совокупности геофизиче-
ских и орбитальных условий, при которых следует ожидать усиления электроплаз-
менных процессов на станции, была разработана методика SPEED - Spacecraft Plasma
Рис. 3.4.22. Возникновение плазменного моста между PCU и панелью СБ
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА 941
Environment and Electric Discharge. Эта методика позволяет точно прогнозировать
начало и длительность плазменного моста, сопровождающегося заметным изменени-
ем тока через катод PCU, или скачкообразного изменения потенциала станции, если
блок PCU отключен [48].
3.4.6.5. Оптические характеристики СВИ
Оптическое излучение плазменной струи в широком диапазоне длин волн влияет
на бортовые оптические датчики. Интенсивность собственного излучения струи при
некоторых ракурсах может превысить уровень допустимого значения для оптической
аппаратуры.
В ЦНИИМАШ проведен ряд измерений оптических характеристик плазменных
выхлопов двигателей ДАС [49]. С использованием данных экспериментальных изме-
рений разработана программа расчета оптических характеристик плазменных струй в
космосе - ORPP [50].
Исследование процессов излучения и рассеяния квантов света в струе ЭРД пока-
зало, что собственное излучение струи определяет характер линейчатого спектра, а
томсоновское рассеяние света в ИПО дает основной вклад в сплошной спектр свече-
ния. Величина и характер распределения обоих типов излучения определяются глав-
ным образом распределением концентрации частиц в ближней, относительно плот-
ной зоне струи. Только в узком интервале углов вблизи оси струи оба излучения
имеют острый максимум (см. рис. 3.4.23). Этот максимум обусловлен свечением
дальней зоны струи, расширению которой препятствует геомагнитное поле.
Рис. 3.4.23. Распределение интенсивности свечения струи двигателя ДАС D-80:
а - собственное излучение струи для условий низкой орбиты;
б - томсоновское рассеяние света для условий ГСО
Собственное свечение струи рассчитывалось с использованием результатов экс-
периментов [49, 51]. Согласно экспериментальным данным температура электронов в
струе практически постоянна и одинакова для струй СПД-100, ДАС D-55 и ДАС
D-80. Из измеренного в эксперименте распределения интенсивности свечения вдоль
942
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
струи вычиталось свечение нейтральных частиц и свечение ионов вторичной плазмы.
Оба эти компонента плазмы дают существенный вклад в свечение в условиях стенда.
Вторичная плазма образуется из нейтральных частиц фона. Для расчетов использова-
лась программа SPlaF [17], корректность которой количественно подтверждена дан-
ными стендовых экспериментов [52].
Результаты расчетов приведены на рис. 3.4.23. На рис. 3.4.23а показан пример
расчета распределения интенсивности собственного излучения струи двигателя ДАС
D-80, инжектированной вдоль линии магнитного поля на низкой околоземной орбите
(h = 1200 км). Направляющие косинусы луча наблюдения определены здесь относи-
тельно оси струи двигателя. Яркое пятно в центре соответствует свечению дальней
зоны струи, удерживаемой магнитным полем.
На рис. 3.4.236 приведено распределение интенсивности свечения в спектральной
линии X = 0,46 мкм, вызванное томсоновским рассеянием солнечного излучения на
плазменном выхлопе, для условий ГСО. На рисунке в направляющих косинусах по-
казана величина интенсивности свечения /, [Вт-м-2-ср_1-мкм-1]. В этом случае макси-
мум свечения будет регистрироваться в направлении, проходящем сквозь плотное
ядро струи. В обоих случаях расчет сделан для датчика, расположенного сбоку от
ЭРД в плоскости выходного сечения на расстоянии z0 = -1 м.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представлены результаты исследований свойств ИПО, которые возникают вблизи
КА при работе бортовых систем, создающих потоки плазмы или газа. Показано, что
их характеристики определяются взаимодействием этих потоков с геомагнитным
полем, ионосферными ионами и атомами, излучением Солнца и с электрическими
полями, генерируемыми внутренними и внешними источниками.
Разработаны математические модели и программы расчета, позволяющие иссле-
довать следующие плазменные образования.
1. Струи плазмы, создаваемые ЭРД стационарного действия на больших высотах,
в частности на ГСО. Важное их свойство - ускоренное расширение потока под дей-
ствием внутреннего электрического поля.
2. Струи плазмы, создаваемые ЭРД стационарного действия всех типов на низких
орбитах. Здесь основное свойство их динамики - ограничение расширения плазмы
поперек магнитных силовых линий. В результате струя, истекающая под малым
питч-углом, превращается в узкую длинную спицу, а струя, истекающая под боль-
шим питч-углом, принимает форму трехмерного лепестка. Концентрация плазмы в
таких образованиях значительно больше, чем в свободно расширяющейся струе.
3. Сгустки плазмы, создаваемые ЭРД импульсного действия. На начальной ста-
дии разлета сгустка плотной плазмы характерной особенностью является инверсия
формы: под действием внутреннего электрического поля двумерный или трехмерный
сгусток разлетается преимущественно в направлении его минимального размера и,
соответственно, максимального поля. По мере расширения на разлет сгустка начина-
ет влиять геомагнитное поле. В итоге сгусток превращается в спицу, вытянутую вдоль
магнитных силовых линий, но движущуюся в первоначальном направлении.
4. В ИПО, возникающих в потоках газа, которые истекают из систем КА (струи
ЖРД, выбросы из шлюзовой камеры, сбросы вода и т. п.), под действием набегающе-
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА 943
го потока атомов и ионов ионосферы, а также под действием излучения Солнца обра-
зуются зоны с повышенной и пониженной концентрацией ионизованных и возбуж-
денных атомов.
Разработаны методы расчета воздействия ИПО на системы и элементы КА.
1. Силовое воздействием двумерных (для геостационарных условий) и трехмер-
ных (для низкоорбитальных условий) выхлопных плазменных струй, приводящее к
потере тяги ЭРД и к созданию паразитных крутящих моментов.
2. Рассеяние радиоволн на двумерных и трехмерных ИПО, приводящее к искаже-
нию диаграмм направленности бортовых антенн и к созданию помех радиосвязи.
3. Возмущение магнитного поля вблизи низкоорбитальных КА при работе ЭРД.
4. Генерация электроразрядных процессов между ИПО и элементами поверхно-
сти КА под действием электрических полей, создаваемых внешними бортовыми сис-
темами (например, высоковольтными СБ) или генерируемых внутри плазменного
образования.
Все математические модели ИПО и механизмов их воздействия на КА доведены
до стадии программного обеспечения для IBM-совместимых компьютеров с опера-
ционной системой WINDOWS. С использованием этих программ была проведена
верификация представленных методов и моделей на экспериментальных данных.
Установлено, что расчетные характеристики ИПО согласуются со следующими
результатами космических экспериментов.
1. Измеренные на КА «Метеор» (й = 900 км) вдоль траектории одного витка вре-
менные зависимости крутящих моментов, создаваемых двигателем СПД-60, количе-
ственно согласуются с трехмерной моделью плазменной струи в магнитном поле, в
соответствии с которой вблизи экватора струя СПД-60 имела форму спицы и практи-
чески не создавала крутящего момента, а вблизи полюсов - форму лепестка, поэтому
моменты были весьма заметными.
2. В серии космических экспериментов на КА «Космос-1818» и «Космос-1867»
(Л = 800 км) трехмерная модель ИПО подтверждена количественно тремя независи-
мыми способами:
• исследование размеров и формы радиотеней в каналах связи на длинах волн
X = 1,8 м и X = 0,12 м;
• регистрация интенсивности отраженного радиосигнала от ИПО в зависимости
от угла визирования;
• измерение локального диамагнитного искажения геомагнитного поля лепест-
кообразной плазменной струей.
3. В ракетных экспериментах с импульсным двигателем по радиоизмерениям
подтверждено длительное существование сгустков плазмы в виде спиц, вытянутых
вдоль магнитных силовых линий.
4. Исследованные в космических экспериментах на двух геостационарных КА се-
рии «Экспресс» распределения локальных параметров струи двигателя СПД-100, а
также зависимости крутящих моментов и потерь тяги от угла поворота панелей СБ
количественно согласуются с описанной моделью плазменной струи, согласно кото-
рой внутреннее электрическое поле струи определяет ее ускоренное расширение и
дополнительное ускорение ионов, поступающих из струи на обтекаемую ею поверх-
ность КА.
944
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
ЛИТЕРАТУРА
1. Михайловский А.Б. Теория плазменных неустойчивостей. Т. 1. М.: Атомиздат, 1971.
2. Kirdjashev К.Р. et al. Measurements of electromagnetic emissions at long-term tests of T-100. 24th IEPC.
Moscow, 1995, IEPC-95-073.
3. Garner C.E. et al. Performance evaluation and life testing of the SPT-100. Proc, of 23rd IEPC, Seattle,
1993, IEPC-93-091.
4. Sankovik J. et al. Performance Evaluation of the Russian SPT-100 Thruster at NASA LeRC. 23rd IEPC. Seat-
tle, 1993, IEPC-93-094.
5. Вопросы теории плазмы. T. 2. М.: Атомиздат, 1973.
6. Брагинский С.И. Явления переноса в плазме. В сб.: Вопросы теории плазмы. М.: Госатомиздат, 1963, № 1.
7. Korsun A.G., Tverdokhlebova Е.М. The characteristics of the EP exhaust plume in space. 33rd Joint Prop. Conf.
Seattle, 1997, AIAA-97-3065.
8. Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M., Gabdullin F.F. The Earth’s magnetic field effect upon plasma plume
expansion. 25th Int. El. Prop. Conf., Cleveland, 1997, IEPC-97-178.
9. Gabdullin F.F., Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M. Mathematical model of hypersonic plasma flows expand-
ing in vacuum. Computer Physics Communications, 2004, v. 164, pp. 434-441.
10. Borisov B.S., Garkusha V.I., Kozyrev N.V., Korsun A.G., Sokolov L.Yu., Strashinsky V.A. The influence of
electric thruster plasma plume on downlink communication in space experiments. 27th JPC, Sacramento, June
1991, AIAA paper, 91-2349.
11. Корсун А.Г. Твердохлебова E.M. Расчет параметров свободного разлета плазменных выхлопов ЭРД в
космосе - DYNAMIC. Программа ОФАП САПР per. № 4089 от 12.03.2002 г.
12. Рожанский В.А. Влияние плазменного фона на торможение пучка плазмы в магнитном поле. Физика
плазмы, 1986, т. 1, № 3, с. 294-300.
13. Рожанский В.А., Цен дин Л.Д. Расплывание сильной неоднородности на фоне безграничной слабоиони-
зированной плазмы в магнитном поле. Физика плазмы, 1977, т. 1, № 2, с. 382-387.
14. Manzella D., Sankovic J. Hall thruster ion beam characterization. 31st Joint Propulsion Conf, July 1995, AIAA
95-2927.
15. Roy S., Hastings D., Gatsonis N. Numerical study of ion thruster plume-spacecraft interactions. 24th Interna-
tional Electric Propulsion Conference, Moscow, 1995, IEPC 95-162.
16. Sancovic J. Investigation of the arcjet plume near field using electrostatic probes. NASA TM 103638, 1990.
17. Korsun A.G., Gabdullin F.F., Tverdokhlebova E.M. Performance evaluation of the secondary plasma of Hall
type thruster. 37th Joint Propulsion Conference, AIAA-2001-3508, 2001.
18. Борисов Б.С., Габдуллин Ф.Ф., Корсун А.Г. и др. Экспериментальные и теоретические исследования па-
раметров вторичной плазмы при испытаниях ДАС в вакуумной камере. Космонавтика и ракетострое-
ние, 2004, № 1 (34).
19. Absalamov S.K. et al. Measurement of plasma parameters in the stationary plasma thruster (SPT-100) plume
and its effect on spacecraft components. 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit. July 6-8, 1992, Nash-
ville, TN. Paper AlAA-92-3156.
20. King L.B. Transport-property and mass spectral measurements in the plasma exhaust plume of a Hall-effect
space propulsion system. Doctoral thesis, The University of Michigan, 1998.
21. Boyd I., Dressier R. Far field modeling of the plasma plume of a Hall thruster. J. of Applied Physics, 2002,
v. 92, No 4, pp. 1764-1774.
22. Cheoux-Damas P., Stefan J.M., Castejon S., RomashkoA., Petrusevith V., Volkov D. Validation of an ion
thruster plume impingement software by in-flight measurements. Proc. Second Eur. Spacecraft Prop. Conf.,
1997, ESA SP-398, Aug. 1997.
23. Manzella D. Hall thruster plume measurements onboard the Russian express satellite. 7th IEPC, Pasadena
2001, IEPC-01-044.
24. Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M., Gabdullin F.F. The estimation of the torque and forces arising due to
interaction of the exhaust plume with SC body. In: Proc. 3rd Int. Conf, on Spacecraft Propulsion, Cannes, Oc-
tober 2000, ESA SP-465.
25. Шувалов В.А. О передаче импульса газовых ионов поверхности твердого тела. ПМТФ, 1984, № 3, с. 24-31.
26. Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M. Geomagnetic field perturbation by a plasma plume. 25th IEPC, Cleve-
land, 1997, IEPC-97-028.
ГЛАВА 3.4 ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ КА 945
27. Rylov Y.P., Perkov LA., Romanovsky Y.A. et al. Change in the spacecraft environment with an electric thrus-
ter in operation. II Spacecraft Propulsion Conference, Nordwick, Hol, 1997, 27029.
28. Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M. Low-temperature plasmoids expansion in geomagnetic field. 35th AIAA/
ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Los Angeles, 1999, AIAA-99-2436.
29. Войцехович П.В., Гаркуша В.И., Гришин С.Д., Левтов В.Л. Исследование импульсных плазменных ус-
корителей в условиях космоса. Космические исследования, 1976, т. 14, № 3, с. 445-453.
30. Korsun A.G., Gabdullin F.F. Gas-plasma non-uniformity arising in gas releases from spacecraft under effect
of high-energy space fluxes. 35th JPC, LA, CA, June, 1999, AIAA-99-2122.
31. Белоцерковский М.Б. и др. Некоторые экспериментальные результаты измерений параметров собст-
венной внешней атмосферы орбитальной станции «Мир». Космонавтика и ракетостроение, 1996,
№ 17, с. 148-158.
32. Корсун А.Г., Габдуллин Ф.Ф. Расчет параметров газоплазменных образований вблизи космических
аппаратов - GPF. Программа ОФАП САПР per. № 4088 от 12.03.2002 г.
33. Viereck R.A., Murad Е. et al. 0(1 S) 557.7 nm and 0(1 D) 630 nm emissions in shuttle thruster plumes. J. Geo-
physical research, 1995, v. 100, No A4, pp. 5819-5825.
34. Sarmiento et al. RHETT2/EPDM Hall thruster propulsion system electromagnetic compatibility evaluation.
IEPC-97-108, 25th IEPC. Cleveland, 1997.
35. Корсун А.Г., Твердохлебова E.M., Тюрмина Л.О., Шарова В.А. Влияние плазменной струи на геомагнит-
ное поле. В сб.: VII Всесоюзн. конф, по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Харьков, 1989.
36. Semenkin A.V., Chislov Н.О., Borisov B.S. et al. Experimental study of exhaust beam of anode layer thruster.
24th IEPC, 1995, IEPC-95-51.
37. Bugrova A.I, Morozov A.I. The influence of vacuum conditions on SPT operating. Ibid., p. 46.
38. Myers R.M., Manzella D.H. Stationary plasma thruster plume characteristics. 23rd Int. Electric Propulsion
Conf. Seattle, 1993, IEPC-93-096.
39. Габдуллин Ф.Ф., Корсун А.Г., Твердохлебова E.M. Исследование характеристик вторичной плазмы
холловских двигателей. Космонавтика и ракетостроение, 2004, № 1 (34).
40. Габдуллин Ф.Ф., Корсун А.Г., Твердохлебова Е.М. Генерация электрических потенциалов и токов на
поверхности космического аппарата при работе электроракетного двигателя. Космонавтика и ракето-
строение, 2003, № 1 (30).
41. Carney L.M. Evaluation of the communications impact of a low power arcjet thruster. 24th Joint Propulsion
Conference, Boston, July 1988, AIAA-88-3105.
42. Roberts L., South Jr. LC. Comments on exhaust flow field and surface impingement. AIAA Journal, 1964,
No 5, p. 238.
43. Narasimha A. Collisionless expansion of gases into vacuum. Journal of Fluid Mechanics, 1962, v. 12, No 12,
pp. 294-308.
44. Korsun A.G., Borisov B.S., Tverdokhlebova E.M., Gabdullin F.F. Comparison between plasma plume theo-
retical models and experimental data. 26th Int. El. Prop. Conf, Japan, 1999, IEPC-99-221.
45. Patterson M., Verhey T., Soulas G., Zakany J. Space station cathode design, performance, and operating
specifications. 25th International Electric Propulsions Conference, Cleveland, 1997, IEPC-97-170.
46. Ferguson D.C., Morton T.L., Hillard G.B. First results from the Floating Potential Probe (FPP) on the Interna-
tional Space Station. 39th AIAA ASME, Reno, 2001, AIAA-2001-0402.
47. Bering E.A., Koontz S., Katz I. et al. The plasma environment of the International Space Station in the austral
summer auroral zone inferred from plasma contactor data. 40th AIAA ASME, Reno, 2002, AIAA-2002-0935.
48. Gabdullin F.F., Garkusha V.L, Korsun A.G., Strashinsky V.A., Tverdokhlebov S.O., Tverdokhlebova E.M.
Influence of space propulsions and plasma sources on electric discharge phenomena on the ISS. Proc. 4th In-
ternational Conference on Spacecraft Propulsion, Sardinia, Italy, 2004.
49. Karabadzak G.F., Semenkin A.V., Tverdokhlebov S.O., Manzella D.H. Investigation of TAL optical emis-
sions. Proc, of 25th IEPC, Cleveland, 1997, IEPC 97-131.
50. Karabadzhak G., Gabdullin F., Korsun A., Plastinin Yu., Tverdokhlebova E. Optical emission of a Hall
thruster plume in space condition. 27th IEPC, 2001, IEPC-01-053.
51. Manzella D.H. Stationary plasma thruster plume emission. Proc, of 23rd IEPC, 1993, IEPC-93-097.
52. Borisov B.S., Korsun A.G., Gabdullin F.F., KozyrevN.V., Semenkin A.V., Tverdokhlebova E.M. Expansion
of secondary plasma generated in an EP Plume. Theory and Experiment. Paper of 27th IEPC, 2001.
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА
В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Смирнов Н.Н.1, Киселев А.Б.1; Назаренко А.И.2; Никитин В.Ф.1
1 Механико-математический факультет МГУ
2 Центр космических наблюдений Федерального космического агентства
Список сокращений
ГСО КА КМ КО ОКП PH геостационарная орбита космический аппарат космический мусор космический объект околоземное комическое пространство ракета-носитель
ВВЕДЕНИЕ
Активная деятельность человечества в космосе привела к образованию на около-
земных орбитах большого количества так называемого «космического мусора»,
представляющего собой различные объекты искусственного происхождения и их
фрагменты, которые были некогда запущены в космос, а к настоящему времени ока-
зались пассивными и не несущими более никакой полезной нагрузки по использова-
нию либо разрушились по различным причинам. Эти космические объекты (КО),
общее количество которых исчисляется миллионами, движущиеся с орбитальными
скоростями и остающиеся на орбитах в течение многих лет, сформировали в около-
земном пространстве новую среду - пояс космического мусора. Космический мусор
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
947
(КМ) сосредоточен в основном на низких околоземных орбитах - в интервале высот
от 200 до 2 000 км - и уже в настоящее время представляет серьезную угрозу для
космических полетов и долгосрочных орбитальных проектов. Ниже 200 км достаточ-
но сильно проявляется тормозящее воздействие верхних слоев атмосферы, поэтому
пассивные объекты не могут здесь долго существовать, они тормозятся и сгорают в
атмосфере. Выше 2 000 км концентрация объектов существенно меньше ввиду срав-
нительно малого числа запусков космических аппаратов (КА) на такие высоты. Ис-
ключение, конечно, составляют еще более высокие геостационарная и геосинхрон-
ные орбиты, но их будем рассматривать отдельно, так как КМ на высоких орбитах
образует уже не непрерывный пояс (шаровой слой), окутывающий всю планету, а
кольцо.
При сохранении существующих темпов засорения околоземного космического
пространства (ОКП) ограничения на надежность долгосрочных космических миссий,
задаваемые вероятностью столкновения с частицами КМ, в ближайшем будущем
могут стать более жесткими, нежели ограничения по надежности собственно техни-
ческих систем. Это приобретает особую важность для разработки теле- и радиоком-
муникационных систем, включающих в качестве космического сегмента серию спут-
ников на низких околоземных орбитах.
Настоящая глава посвящена в основном рассмотрению задач моделирования и
прогнозирования динамики КМ в ОКП.
3.5.1. Данные о загрязнении околоземного космического пространства
Среди имеющегося разнообразия объектов КМ следует выделить два класса
[1-10]. К первому классу причисляются относительно большие объекты, которые
могут регулярно наблюдаться наземными радиолокационными или оптическими
средствами. Их характерный размер не менее 10-20 см для области низких и не ме-
нее 75 см для области геосинхронных орбит. Большинство таких объектов каталоги-
зировано и отслеживается национальными средствами контроля космического про-
странства [11]. Количество этих объектов мало среди общего числа элементов КМ,
однако их концентрация на два порядка больше концентрации тел соответствующих
размеров в естественных метеорных потоках. Ко второму классу относятся объекты
гораздо меньших размеров, наблюдение которых с помощью наземных средств не-
возможно. Таких фрагментов в ОКП значительно больше, что подтверждается ре-
зультатами отдельных локальных экспериментов и анализа повреждений поверхно-
стей, долгое время экспонировавшихся на орбите.
В отличие от метеорных потоков, пребывание которых в ОКП ограничено време-
нем пролета, КМ представляет значительно большую опасность, так как время его
пребывания на орбите существенно дольше, а количество КМ растет. При орбиталь-
ной скорости спутников порядка 8 км-с"1 их столкновения с объектами КМ характе-
ризуются средней относительной скоростью 10-12 км-с"1.
Существует единственный естественный механизм, препятствующий росту засо-
ренности околоземных орбит, - это тормозящее воздействие верхних слоев атмосфе-
ры, приводящее к сходу объектов КМ с орбиты и их сгоранию в более плотных слоях
948
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
атмосферы. Однако этот процесс может быть крайне медленным, особенно для более
высоких орбит, где влияние атмосферы незначительно. Влияние верхних слоев атмо-
сферы периодически возрастает в соответствии с 11-летним циклом солнечной ак-
тивности. При возрастании активности Солнца происходит увеличение плотности
верхних слоев («вспухание» атмосферы), что приводит к более эффективному тор-
можению, особенно мелких объектов.
З.5.1.1. Засорение ОКП на низких околоземных орбитах
в настоящее время составляет более
Рис. 3.5.1. Динамика изменения числа
каталогизированных объектов: 1 - всего
КО; 2 - фрагменты разрушений; 3 - КА;
4 - PH; 5 - операционные элементы
Количество объектов КМ, отслеживаемых наземными средствами (фрагменты
крупнее 10-20 см), непрерывно возрастало и
9000 [12] общей массой 2,7-106 кг. Более мел-
кая фракция (размером 1-10 см) содержит
фрагменты, образующиеся в результате тех-
нологических операций (отделяющиеся эле-
менты конструкций), а также орбитальных
взрывов и столкновений. Число таких фраг-
ментов оценивается в 250-300 тыс., их общая
масса порядка 3 000 кг. Число частиц с разме-
рами 0,1-1 см, образовавшихся в результате
орбитальных взрывов и столкновений, оцени-
вается приблизительно в 100 млн.
Приведенные здесь данные о числе КО раз-
мером менее 10 см соответствуют отечествен-
ной модели SDPA для анализа и прогнозиро-
вания КМ [13]. Сравнение соответствующих
оценок по данным различных моделей [14]
показывает, что различия могут достигать по-
рядка величины для частиц размером 0,1-1,0 см, 3-4 раз - для частиц размером
1,0-10 см и 2 раз - для КО размером 10-20 см. Активные и пассивные детекторы
Таблица 3.5.1
Данные о принадлежности каталогизированных объектов
Страна / Организация Спутники Ступени PH и фрагменты Всего
Китай 39 285 324
Россия 1357 2632 3 989
ЕКА 35 26 61
Индия 27 102 129
Япония 83 51 134
США 995 2859 3 854
Прочие 327 7 334
Всего 2897 6251 9148
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
949
МУСОР Ступени ракет
13% 17%
Рис. 3.5.2. Состав каталогизированных
объектов на низких околоземных орбитах
космического базирования позволяют
определить кумулятивные потоки частиц
КМ и метеороидов с поперечными разме-
рами в диапазоне 10"4-10-1 см. При этом
неопределенность оценки кумулятивных
потоков мелких частиц очень велика:
3-103-2-104 м-2тод-1 [15].
Для сравнения отметим, что суммар-
ная масса метеороидов, летящих в каж-
дый момент времени в интервале высот
200-2 000 км, не превышает 200 кг. Сред-
ние размеры метеорных частиц составля-
ют 0,1 мм, что существенно меньше средних размеров частиц КМ.
Динамика изменения количества крупных объектов по годам в ОКП представлена
на рис. 3.5.1 (поданным [12]). На 30 июня 2004 г. каталог Космического командова-
ния США содержал 9148 объектов (табл. 3.5.1). В целом следует отметить, что за
последние 40 лет наблюдается устойчивый линейный рост количества каталогизиро-
ванных объектов, составивший в среднем 210 объектов в год
Состав КМ, т. е. доля в нем различных фракций, отличающихся механизмом об-
разования, представлен на рис. 3.5.2 [16]. Из рисунка видно, что около половины ка-
талогизированных КО образовались в результате взрывов на орбите. Меньшие по
размерам фрагменты взрывного происхождения не заносятся в каталог ввиду ограни-
ченности разрешающей способности наземных средств радиолокационного и опти-
ческого контроля.
Основанные на различных моделях значения пространственной плотности мелких
частиц (км-3) на низких околоземных орбитах (по данным ООН [15]) представлены
на рис. 3.5.3. Видно, что разброс оценок увеличивается по мере уменьшения разме-
ров частиц.
Распределение наблюдаемых объектов во всем диапазоне высот [15] приведено на
рис. 3.5.4. Видно, что максимальная плот-
ность объектов наблюдается в поясе КМ
на высотах от 200 до 2000 км. Всплеск на
высотах 34-38 тыс. км соответствует объ-
ектам, находящимся на достаточно густо
заселенных геосинхронных орбитах.
На низких околоземных орбитах, как
видно из рис. 3.5.4, наибольшая плотность
объектов наблюдается на высотах 800-1000
и 1500 км, что объясняется наиболее интен-
сивным использованием этих орбит и про-
исходившими на них разрушениями КА и
последних ступеней PH.
На рис. 3.5.5 представлены совокупные
данные измерений плотности потока час-
тиц КМ (точки) как функции размеров
Рис. 3.5.3. Пространственная плотность
мелкой фракции объектов КМ на низких
околоземных орбитах. Размеры объектов:
1 - 1 мм; 2 - 1 см; 3 - 10 см
950
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Рис. 3.5.4. Концентрация наблюдаемых объектов в ОКП в зависимости от высоты h\
а - для h в диапазоне от 0 до 2 000 км; б - для h до 50 000 км
частиц в сопоставлении с данными о плотности потока метеорных тел (пунктирная
линия). Сплошной кривой показана плотность потока объектов КМ с поперечными
размерами более 0,5 см. Видно, что плотность потока КМ превышает плотность по-
тока метеорных тел для размеров объектов более 0,1-1 см, а также менее 0,001 см, хотя
Рис. 3.5.5. Распределение потока частиц КМ
и метеорного вещества по размерам частиц
(диаметру d)
в этой области наблюдается значительный
разброс экспериментальных данных.
В табл. 3.5.2 представлены оценки мак-
симальных значений концентрации частиц
КМ разных размеров по данным модели
SDPA[13].
Пространственное распределение кон-
центрации зависит, в основном, от высоты
и широты точки наблюдения. Для северного
и южного полушарий распределения отли-
чаются мало и поэтому принимаются одина-
ковыми. Пример нормализованного высот-
но-широтного распределения концентрации
(для частиц размером 0,1-0,25 см) представ-
лен на рис. 3.5.6. Для других размеров час-
тиц распределения являются аналогичными.
Таблица 3.5.2
Концентрация частиц различных размеров
Размеры частиц, см 0,1-0,25 0,25-0,5 0,5-1,0 1,0-2,5 2,5-5,0 5,0-10 10-20 >20
Диапазон 1 2 3 4 5 6 7 8
Концентрация частиц, км-3 3,84-10^ 3,1310 5 6,03-10'6 9,79-10"7 1,98-10 6,76-10 8 2,15-Ю*8 5,17-10’8
ГЛАВА 3 5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
951
Во всех случаях абсолютный максимум дос-
тигается в диапазоне высот 800-1000 км и
диапазоне широт 75-85°. Значения концентра-
ции на малых широтах примерно в 5 раз мень-
ше соответствующих максимальных оценок.
В районе полюса концентрация еще ниже.
Естественно, что приведенные выше дан-
ные о техногенном загрязнении ОКП в об-
ласти низких орбит не охватывают всех
возможных условий решения прикладных
задач. Высоты, широты, типы орбит, разме-
ры частиц КМ могут быть самыми разными.
В этих случаях для решения прикладных за-
дач необходимо применять специализиро-
ванные компьютерные модели. Достаточно
полный обзор доступных моделей КМ изло-
жен в [13, 18].
Рис. 3.5.6. Нормализованное распределение
концентрации и по высоте h и широте X
3.5.1.2. Засорение ОКП на геосинхронных (высоких) орбитах
Спутник, период обращения которого вокруг Земли совпадает с периодом враще-
ния Земли, называется геосинхронным, а его орбита - геосинхронной. Геосинхрон-
ные орбиты могут характеризоваться большим или малым наклонением, что опреде-
ляет величину смещения спутника относительно поверхности Земли за время одного
витка. Геостационарным называется геосинхронный спутник, находящийся на круго-
вой орбите в плоскости экватора Такой спутник фактически зависает над одной точ-
кой поверхности Земли. Параметры классической геостационарной орбиты (ГСО)
составляют: высота - 35 787 км, период обращения - 1436,2 мин. Особенности ГСО
сделали ее привлекательной для запуска телекоммуникационных и других спутни-
ков. Жесткие ограничения на параметры орбиты привели к очень плотной заселен-
ности кольцевой области в ее окрестности.
Темпы роста относительного числа КО на ГСО значительно выше, чем на низких
орбитах: ежегодно заселенность ГСО возрастает в среднем на 35-40 каталогизирован-
ных объектов, что составляет около 4% их общего числа. В настоящее время число
каталогизированных КО в области ГСО превышает 900, из них около 300 являются
активными. Известно, что в процессе эволюции плоскости орбит пассивных геостац-
ионарных КО постепенно отклоняются от экваториальной плоскости [17]. Это при-
водит к постепенному «расплыванию» популяции КО старых запусков по широте.
Рассмотрим сведения об интенсивности техногенного загрязнения области ГСО за
последние годы, воспользовавшись данными NASA, которые были распространены
среди членов Межагентского комитета по КМ [19]. В табл. 3.5.3 представлена класси-
фикация орбит по высотам и наклонениям, а в табл. 3.5.4 - общие данные о ежегод-
ном приросте числа КО размером более 10 см для соответствующих типов орбит.
К первому типу относятся орбиты КО, запускаемых в область относительно ма-
лых высот (высота апогея нс превышает 5 000 км). Ко второму типу относятся орбиты
952
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Таблица 3.5.3
Классификация орбит по высотам и наклонениям
Тип орбиты Высота перигея hp, км Высота апогея ha, км Наклонение
1 - ha < 5000 -
2 - 5000 <ha< 35400 -
3 //,<33000 ha > 35400 -
4 //,<33000 //„>35400 < 15°
5 (ГСО) 33000 <//,<36200 //„>35400 0± 1,5°
6 //,>36200 - -
с высотой более 5 000 км, но не достигающие в апогее области ГСО. Орбиты третьего
типа имеют большие эксцентриситеты, высоту апогея до 35 400 км и различные на-
клонения. Поэтому лишь некоторые из них могут проходить через область ГСО. К
орбитам четвертого типа отнесены те орбиты третьего типа, которые имеют наклоне-
ния менее 15°. Апогей этих орбит находится в области ГСО. Орбиты пятого типа яв-
ляются близкими к круговым. Они полностью находятся внутри области ГСО. Нако-
нец, орбиты шестого типа расположены выше области ГСО.
Таким образом, в области ГСО (орбита 5) ежегодно образовывалось в среднем
33,8 КО. Кроме того, ежегодно образовывалось 9,5 КО на орбитах типа 4 с накло-
нением менее 15°. Такие КО лишь часть времени (в районе апогея) находятся в об-
л?сти ГСО.
Основная трудность построения детальных характеристик техногенного засоре-
ния ГСО связана с практически полным отсутствием данных об объектах размером
менее 0,5-1,0 м в этой области. Это, в частности, видно из материалов работы [20], в
Таблица 3.5.4
Данные о ежегодном приросте числа КО на разных орбитах
Год Все орбиты Тип орбиты
1 2 3 4 5 6
1990 539 364 62 74 5 35 4
1991 377 272 30 42 5 32 2
1992 399 253 49 64 12 30 3
1993 308 204 30 46 6 26 2
1994 340 211 36 53 7 38 2
1995 251 148 35 30 7 38 0
1996 232 138 15 45 16 31 3
1997 312 205 15 53 18 38 1
Сумма 2 759 1795 272 407 76 271 14
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
953
Рис. 3.5.7. Концентрация в области ГСО
каталогизированных КО с d> 75 см
Рис. 3.5.8. Нормированная концентрация КМ
d= 0,5-1,0 см в функции высоты и широты
которой приведены результаты анализа измерений, выполненных с помощью спе-
циализированного телескопа NASA.
Необходимо отметить следующую закономерность эволюции наклонения и дол-
готы восходящего узла спутников в области ГСО. В момент запуска большая часть
объектов имела малое наклонение (< 2°) и долготу восходящего узла в диапазоне
значений 80-130°. В дальнейшем в результате влияния лунно-солнечных гравитаци-
онных возмущений наклонение увеличивается (эволюция наклонения имеет перио-
дический характер с амплитудой ~7,5° и периодом 54 года), а долгота восходящего
узла - уменьшается.
На рис. 3.5.7 представлены данные о высотно-широтной зависимости концентра-
ции каталогизированных КО [17] в области ГСО. Характерной особенностью рас-
пределения является наличие ярко выраженного максимума концентрации в окрест-
ности экватора в диапазоне широт ±0,1° на высоте 35 786 ± 20 км. Абсолютное зна-
чение максимальной концентрации составляет 2,56-10-7 км-3. При отклонении от
этого района на ±100 км по высоте и на ±1,0° по широте концентрация уменьшается
на 3 порядка. При дальнейшем удалении от области максимума уменьшение состав-
ляет 4-5 и более порядков.
Оценки концентрации в точке максимума оказываются сильно зависимыми от ве-
личины шага разбиения области ГСО на «ящики». Довольно неожиданной особенно-
стью представленных данных является то, что максимум концентрации каталогизи-
рованных КО в области ГСО оказался в 5 раз больше соответствующего максимума в
области низких орбит. Следует, однако, заметить, что при шаге усреднения 100 км по
высоте и 1 ° широте максимум концентрации в рассматриваемом районе уменьшается
в 35 раз.
Максимальные значения концентрации в области ГСО для объектов сантиметро-
вых размеров согласно модели SDPA приведены в табл. 3.5.5 [21].
Пример нормализованного высотно-широтного распределения концентрации (для
частиц размером 0,5-1,0 см) представлен на рис. 3.5.8. В этом случае максимальное
954
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Таблица 3.5.5
Максимальные значения концентрации
Диапазон 1 2 3 4 5 6 7 8
Размеры частиц, см 0,1-0,25 0,25-0,5 0,5-1,0 1,0-2,5 2,5-5,0 5,0-10 10-20 20-75
Концентрация, км-3 1,77-10’5 1,57-1 О'6 2,57-10’’ 4,38-10’8 1,07-10’8 4,29-10’9 2,09-10’9 1,44-10’9
значение концентрации составляет 4,38-10-8 км-3. Для других размеров частиц рас-
пределения являются аналогичными. Во всех случаях максимум достигается в диапа-
зоне высот 35 886 ± 100 км и диапазоне широт ±1,0°. При удалении от этого района
концентрация уменьшается на несколько порядков. По сравнению с данными о ката-
логизированных КО это уменьшение является более медленным.
3.5.2. Прогнозы эволюции техногенного загрязнения ОКП и возможность
начала цепного процесса саморазмножения КМ
Целью долгосрочного прогнозирования засоренности ОКП является предсказание
количества объектов как функции времени, высоты и размеров. Эти прогнозы играют
важную роль в оценке необходимости применения мер по снижению засоренности,
эффективности таких мер, а также влияния новых видов космической деятельности.
В настоящее время методы исследования эволюции КМ бурно развиваются [10,
22-29]. Наиболее распространенный подход, применяемый в зарубежных моделях
(EVOLVE, MASTER и IDES), основан на отслеживании всех КО методами небесной
механики. На предшествующем интервале источники загрязнения моделируются на
основе использования известных данных о запусках и имевших место аварийных раз-
рушениях. Для будущих моментов времени используются соответствующие усред-
ненные данные. Число и параметры разлета мелких фрагментов КМ при аварийных
разрушениях определяются на основе применения специальных моделей фрагмента-
ции [26]. Характеристики вновь образующихся мелких фрагментов моделируются
стохастически. Для каждого из фрагментов (или группы однотипных фрагментов)
формируется 6-мерный вектор начальных условий. Дальнейший прогноз осуществ-
ляется на основе применения традиционных аналитических моделей движения спут-
ников. Результаты затем усредняются по большому числу пробных расчетов.
Рассмотренный подход реализуется в компьютерных моделях достаточно просто,
и этим объясняется его применение в разных моделях. Недостатком подхода является
его трудоемкость, которая наиболее сильно проявляется при долгосрочном прогно-
зировании пространственного распределения мелких фрагментов. Очевидно, что
долгосрочное прогнозирование 6-мсрного вектора состояния миллионов мелких
фрагментов является исключительно трудоемким и проблемным даже при использо-
вании современных мощных компьютеров. Отмеченный недостаток усугубляется в
том случае, когда в качестве дополнительного источника учитываются последствия
взаимных столкновений объектов разных размеров. Тем не менее рассмотренный
ГЛАВА 3.5 КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП 955
подход был успешно применен для моделирования процесса техногенного загрязне-
ния ОКП на всем предшествующем интервале времени. В результате были определе-
ны характеристики текущего состояния загрязнения. Примеры моделирования за-
грязнения ОКП крупными объектами представлены в [30].
Характерной чертой рассмотренного выше подхода является сочетание детерми-
нированных (в части применения моделей движения) и стохастических (в части мо-
делирования мелких фрагментов) методов. Это приводит к его «неоднородной» точ-
ности. Индивидуальное прогнозирование 6-мерных векторов состояния каждого
фрагмента обеспечивает высокую точность результатов, в то время как моделирова-
ние процесса образования мелких фрагментов не является точным: при определении
числа мелких фрагментов разных размеров возможны ошибки на порядок. Отмечен-
ное обстоятельство обуславливает возможность разработки менее трудоемких мето-
дов прогнозирования эволюции техногенного загрязнения ОКП на основе отказа от
прогнозирования для каждого объекта и применения упрощенной модели движения.
Именно такой подход применен в отечественной модели SDPA [27-29], особенности
которого рассмотрены ниже, а более детальное описание дано в разд. 3.5.3.
Рассматриваются различные КО, высота перигея которых не превышает 2 000 км.
Принимается, что из переменных параметров только высота перигея hp оказывает
существенное влияние на эволюцию распределения числа КО по высоте. Остальные
элементы орбиты обозначаются как Э. Все множество объектов с различными эле-
ментами Э разбивается на некоторое конечное количество подмножеств (групп) с
элементами Э/, /= 1,2,..., /тах. Плотность распределения высоты перигея объектов из
выбранной группы в момент времени t обозначается как p(t9h). Требуется изучить
закономерности изменения этой плотности во времени. Ниже при анализе эволюции
распределения конкретной группы КО индекс / опущен.
Методика прогнозирования основана на интегрировании уравнений в частных
производных, которые описывают эволюцию распределения числа КО по высоте:
dt L
Здесь К(/,Л) - скорость опускания перигея; - высота однородной атмосферы;
dp(t,h,..^ - скорость прироста числа КО на разных высотах за счет различных при-
чин.
При расчете эволюции распределения числа КО по высоте учитываются следую-
щие факторы:
• торможение КО в атмосфере на высотах до 2 000 км;
• разбиение всех КО по элементам Э на группы, отличающиеся размером d, зна-
чениями эксцентриситета и баллистического коэффициента S;
• исходное распределение КО различных типов по высоте;
• ожидаемая интенсивность dp(t,h,..) образования новых КО различных типов в
результате запусков и взрывов;
• нестационарность учитываемых факторов, а именно: плотности атмосферы в
связи с изменением солнечной активности в 11-летнем цикле и интенсивности
новых запусков.
956
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Среди перечисленных учитываемых параметров орбит особую роль играет высота
перигея. Ее характерная особенность состоит в том, что, оказывая основное влияние
на торможение, она сама изменяется под его воздействием (перигей опускается, и
спутники сгорают в атмосфере в окрестности высоты 100 км). Поэтому высота пери-
гея является одним из аргументов уравнений и в разбиение не входит. Совсем иной
характер имеет влияние баллистических коэффициентов и размеров КО: они практи-
чески не изменяются в процессе эволюции орбиты. Промежуточный характер имеет
влияние эксцентриситета - он, вообще говоря, изменяется (уменьшается) под дейст-
вием торможения, но это изменение не играет существенной роли, так как большая
часть КО имеет орбиты с малыми эксцентриситетами.
Для интегрирования уравнений применяется специально разработанная численно-
аналитическая процедура. При выборе числа разбиений множества КО на группы
необходим компромисс между детальностью анализа и реализуемостью алгоритма:
при слишком детальном разбиении вычислительных ресурсов становится недоста-
точно, время счета резко увеличивается. Кроме того, следует учитывать, что исход-
ные данные для прогноза обстановки имеют довольно значительную неопределен-
ность, которая делает бессмысленной излишнюю детализацию.
Таблица 3.5.6
Высотные распределения прироста dp(h)
Высота, км Число КО в 100-км слое для диапазонов размеров 1-8
1 2 3 4 5 6 7 8
450 956844 95960 22044 2828 1 129 438 217 68
550 767947 76961 17081 2146 839 315 154 60
650 407257 40344 9194 1 129 452 172 84 30
750 409629 40300 9031 1 108 438 165 85 34
850 409662 39861 8458 1075 408 156 80 37
950 366712 35697 7376 916 349 136 68 36
1050 154685 15168 3235 397 160 60 30 15
1 150 64300 6264 1430 186 78 31 15 5
1250 53251 5425 1236 164 71 29 15 4
1350 70709 6680 1561 214 84 36 20 6
1450 225197 21 138 4340 543 209 82 42 26,3
1550 45 620 4296 901 112 44 17 9 5,4
1650 11226 1059 235 29 12 5 2 1,3
1750 4662 443 99 13 5 2 1 0,5
1850 7592 684 149 19 8 3 2 0,9
1950 4707 441 92 И 4 2 1 0,6
Сумма 3960000 390720 86460 10890 4290 1650 825 330
ГЛАВА 3.5 КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП 957
Построение текущего распределения p(t, h) выполнено на основе применения рас-
сматриваемой методики прогнозирования. Данные о принятых номинальных распреде-
лениях ежегодного прироста числа объектов dp(h) различных размеров в диапазонах
1-8 (табл. 3.5.5) для интервалов высот от 400 до 2 000 км приведены в табл. 3.5.6.
При оценке изменений высоты КО под действием торможения в атмосфере учи-
тывается статистические распределения возможных значений баллистических коэф-
фициентов p(S).
На рис. 3.5.9 представлены результаты прогнозирования числа каталогизирован-
ных КО на предшествующем интервале до 1995 г. Здесь показаны данные о числе
образовавшихся, сгоревших и оставшихся объектов. Приведены также данные о чис-
ле объектов в каталоге NORAD (США) - кривая 4. Сравнение данных этого рисунка
с соответствующими результатами работы [30] свидетельствует об их достаточно
хорошем согласии.
Рассмотренные выше подходы к прогнозированию эволюции техногенного за-
грязнения ОКП не включают учет взаимных столкновений КО как дополнительного
источника загрязнения. Включение в традиционные модели более реалистичных мо-
делей орбитальных разрушений и фрагментации, каждая из которых является затрат-
ной сама по себе, приводит к тому, что долговременные прогнозы становятся прак-
тически невозможными: с ростом числа столкновений при возникновении каскадного
процесса самовоспроизводства мусора расчетное время увеличивается экспоненци-
ально.
Тем самым перед учеными стоят две альтернативные возможности: либо продол-
жать работать с существующими моделями, используя упрощенное описание раз-
рушений и фрагментации, либо прекратить описывать движение индивидуальных
объектов, заменив его на описание поведения функции их распределения в рамках
механики сплошной среды, учитывая особенности различных типов орбитальных
разрушений.
Помимо источников КМ, которые принимаются во внимание при моделировании
нынешней обстановки засоренности ОКП,
необходимо также учитывать столкновения тт _ ,
* Utt г» гт гч га^т гжтлт'/агв 1
между объектами. В настоящее время столк-
новения между крупными объектами не иг-
рают значительной роли, так как вероят- 10 ’
ность их низка, однако в будущем при воз- g _ s'
растании общего количества и массы S'
объектов на орбитах возможность таких 6 ~ 4
столкновений, приводящих к лавинному на- 4 _ /
растанию количества фрагментов при после- ------
довательных разрушениях, может вызвать 2 - _'
возникновение цепного процесса самораз-
множения КМ.
Анализ прогнозов эволюции заселенно-
сти низких околоземных орбит с учетом
тенденций накопления КМ, взаимных столк-
новений и последующих разрушений с обра-
о
I960
Рис. 3.5.9. Результаты прогнозирования
числа крупных КО: 1 - образовавшихся;
2 - сгоревших; 3 - оставшихся на орбите;
4 - каталог NORAD
958
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
зованием множества фрагментов привел на определенном этапе исследований к вы-
воду о возможности наступления цепного процесса саморазмножения КМ [5, 31,32].
Характеристикой такого процесса считалась его самодостаточность, а именно - даль-
нейшая независимость от внешних источников (новых запусков, орбитальных взры-
вов). При этом основным механизмом возрастания числа фрагментов на орбите ста-
новятся разрушения при достаточно частых соударениях. Возрастание количества
фрагментов КМ при этом оценивалось как превышающее допустимые пределы безо-
пасности даже для краткосрочных космических миссий, не говоря уже о долгосроч-
ных программах. Таким образом, начало каскадного процесса саморазмножения КМ
ассоциировалось с началом необратимой экологической катастрофы.
Причины нечеткости многих прогнозов оказались заложенными в традиционном
детерминистском подходе, основанном на отслеживании всех КО методами небесной
механики и не позволяющем учитывать более реалистичные модели источников за-
грязнения. Традиционный подход эффективен для описания КМ на ранних стадиях,
когда число столкновений и орбитальных разрушений невелико. Описание разруше-
ний, введенное в модель EVOLVE, существенно отличается от данных наблюдения
за реальными разрушениями [33] по кумулятивному потоку крупных фрагментов.
Это может привести к ошибкам при прогнозировании времени начала каскадного
процесса самовоспроизводства КМ.
Прогнозы, сделанные при схожих предположениях о будущей космической ак-
тивности, дали значение времени, оставшегося до развития необратимого процесса
самовоспроизводства, от 25-50 [5, 31, 32] до 250-300 лет [9]. Для подобных резуль-
татов расхождение на целый порядок не кажется удовлетворительным, и это застав-
ляет уделять большее внимание особенностям разных типов орбитальных разруше-
ний, которые являются важнейшей составной частью долговременных прогнозов
поведения КМ.
Известные долговременные прогнозы каскадного эффекта основываются на су-
щественных упрощениях условий и результатов орбитальных столкновений. Напри-
мер, некоторые прогнозы учитывают лишь столкновения крупных (более 10 см) объ-
ектов. Частота подобных столкновений в настоящее время оценивается как одно за
30 лет. С другой стороны, вероятность столкновений меньших объектов, которые в
моделях не учтены, на несколько порядков выше. Таким образом, задача долговре-
менного прогноза эволюции орбитального мусора в части его производства за счет
столкновений (каскадного эффекта) еще далека от решения.
Рассматриваемый ниже теоретический подход к моделированию долговременной
эволюции КМ с учетом различных вариантов разрушений от столкновений до внут-
ренних взрывов позволяет преодолеть большие затруднения, возникающие при ис-
пользовании традиционного подхода. Предложенный подход заменяет отслеживание
КО моделированием поведения плотности распределения всех объектов с учетом
множественности сценариев столкновений в рамках механики сплошной среды. Та-
кая модель должна включать в себя модели, адекватно описывающие вероятность
столкновений, разнообразие сценариев разрушения, влияние самоочищения низких
околоземных орбит и вклад со стороны новых запусков. Эти дополнительные модели
включаются в уравнения, описывающие эволюцию КМ, в качестве Источниковых
членов. С учетом этого модель может быть использована как для долгосрочного про-
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
959
гнозирования эволюции КМ, так и для сравнения результатов различных сценариев
будущей деятельности в космосе.
Предварительные оценки показывают, что вероятность столкновения малых объ-
ектов на несколько порядков выше, чем для крупных (траектории которых каталоги-
зированы). Таким образом, учет столкновений и соответствующей фрагментации
малых неотслеживаемых объектов является существенным для адекватного описания
каскадного процесса самовоспроизводства КМ. Кроме этого, столкновения малых
объектов приводят к формированию значительного числа мелких частиц, скорости
которых намного меньше скоростей сталкивающихся объектов. Эти частицы быстро
оседают под действием сопротивления воздуха верхних слоев атмосферы, что усили-
вает самоочищение низких околоземных орбит. Таким образом, столкновения КО
различных типов могут давать вклад как в самовоспроизводство мусора, так и в са-
моочищение орбит.
3.5.3. Математическое моделирование эволюции космического мусора
Рассмотрим новый подход к математическому моделированию КМ, основанный
на методах механики сплошной среды. Этот подход альтернативен традиционным
подходам, использующим методы небесной механики. Подход с использованием ме-
тодов механики сплошной среды обладает рядом достоинств, поскольку позволяет
описать динамику миллиардов частиц, заменяя традиционное отслеживание траекто-
рии каждой частицы моделированием поведения их плотности распределения.
3.5.3.1. Математическая модель
Для описания эволюции поля концентраций и скоростей фрагментов КМ будет
использована система уравнений в частных производных, основанная на законах со-
хранения, с Источниковыми членами, учитывающими множественность последствий
столкновений КО.
Существенные различия в размерах частиц КМ и, следовательно, отличия послед-
ствий столкновений для разных частиц приводят к необходимости введения в модель
нескольких «фаз» или «взаимопроникающих континуумов», характеризующихся
своей плотностью распределения ру. Частицы могут быть объединены в группы
(«фазы») согласно следующим атрибутам: характерному размеру dj9 высоте перигея
орбиты Лр;, эксцентриситету е7-, наклонению орбиты /), баллистическому коэффициен-
ту. Будем предполагать, что все частицы КМ могут быть сгруппированы в N раз-
личных фаз. Тогда закон изменения массы выразится в следующем уравнении ба-
ланса [9]:
др.
—- +div(p v ) =/., y = l,...,2V, (3.5.1)
dt 7
где у, является локальной скоростью у-ой фазы; ру. - распределенной массовой плот-
ностью частиц мусорау-ой фазы. Помимо распределенной массовой плотности мож-
но ввести распределенную объемную плотность а7 элементов КМ, выражающуюся в
объеме объектов на единицу объема пространства и числовую плотность ц числа
960 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
объектов на единицу объема. Между этими характеристиками выполняется следую-
щее соотношение:
_ ти/,
Р7 = VjPj = "j (3.5.2а)
где Ру - актуальная плотность материала частиц мусора; dj - эффективный характери-
стический диаметр. Соотношение (3.5.2а) предполагает компактную форму фрагмен-
тов (близкую к сферической); для плоских фрагментов, получающихся при разруше-
нии тонкостенных оболочек, имеем иное соотношение между плотностью и числом
частиц:
Р, = а7Ру = и,™/у23ру., (3.5.26)
где 8 - толщина элементов оболочки.
Член Ij в уравнении (3.5.1) характеризует обмен массой у-ой фазы с другими фаза-
ми: изменение массы у-ой фазы из-за притока операционного мусора, фрагментации
крупных КО и удаления частиц с размерами ниже критического. При разрушении
частицы мусорау-ой фазы обломки могут пополнять другие фазы (так как их размеры
становятся меньше, чем размер исходной частицы). Размеры некоторых фрагментов
могут оказаться меньше минимальных размеров объектов, учитываемых в модели.
Такие частицы либо не представляют угрозы космическим полетам, либо достаточно
быстро замедляются атмосферой. Основываясь на этом, можно предложить следую-
щую структуру члена, ответственного за массообмен в уравнении (3.5.1):
Л = Zкл + Ч-.ор + - н, > (3-5.3)
к=\
где Кд - приток массы от &-ой к у-ой фазе из-за фрагментации частиц при столкнове-
ниях; MjtOp - вклад в массу у-ой фазы со стороны операционного мусора, образующе-
гося при новых космических миссиях; М^ех - приток массы к у-ой фазе в результате
разрушения крупных КО (орбитальные взрывы последних ступеней ракет и др.); -
уменьшение массыу-ой фазы, не приводящее к увеличению массы других фаз.
Уравнение импульса для фазы в рамках подхода механики сплошной среды мож-
но получить в следующем виде:
dv
р,. —= F. + F„ + Ру + X(vy, - vy-), j = 1,...,N, (3.5.4)
Ш Л=1
где Fy характеризует массовые силы; F^- влияние атмосферного сопротивления; Р7 -
давление солнечной радиации; Уд - скорость подхода частиц &-ой фазы перед пре-
вращением в у-ю.
При учете действия внешних сил следует принимать во внимание вариации плот-
ности верхней атмосферы [34] и специфику воздействия на мелкие частицы давления
солнечной радиации [35, 36].
Для целей определения числовой плотности частиц у-ой фазы уравнение (3.5.1)
трансформируется следующим образом:
*
—^ + div(«y.vy.) = 2JVyt +«7,ор +«7,ех -VP (3-5.5)
£=1
где уд - число частиц, перешедших из &-ой фазы ву-ю в единицу времени; п^ор, Vj-
скорости роста или убывания числа частиц из-за влияния внешних источников.
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
961
3.5.3.2. Асимптотический анализ долгосрочных прогнозов
Иногда с целью получения долговременного прогноза следует упростить матема-
тическую модель. Характеристическое время одного цикла движения облаков мусора
и характеристическое время рассеяния этих облаков (около 1 месяца) существенно
меньше, чем время эволюции всей системы. В этом случае для всех фрагментов у-ой
фазы, характеризующихся размером, орбитой, ее наклонением, баллистическим ко-
эффициентом и т. д., можно пренебречь особенностями всех распределений внутри
заданного диапазона высот. При этом модель позволяет определить число частиц КМ
в зависимости от высоты. Осредняя уравнение (3.5.5) по долготе и широте, можно
получить следующую форму модельного уравнения:
dN.
~дГ
dN,. dWf .
-W.—J—N,.—+ W
J dr J dr J
(3.5.6)
где Nj (t,r) - число частиц j-ой фазы KM, распределенных в сферическом слое еди-
ничной высоты; Wj(t,r) = (dr/dt)j - радиальная скорость частиц (скорость оседания);
Nj - скорость изменения числа частиц в этом сферическом слое как результат дей-
ствия внешних источников.
Уравнение, аналогичное (3.5.6), было использовано для целей прогноза состояния
КМ в [44] и будет использоваться здесь при дальнейшем анализе.
Другое возможное упрощение основано на предположении, что все орбиты час-
тиц КМ близки к круговым [9, 11, 45, 46]. Это предположение основывается прежде
всего на том, что большая часть наблюдаемых объектов движется по траекториям с
очень малыми эксцентриситетами. В этом случае векторное уравнение импульсов
может быть записано для двух проекций: на радиус-вектор и на касательную к траек-
тории.
После ряда преобразований с использованием известной барометрической фор-
мулы [46] можно преобразовать (3.5.6) к следующему уравнению, описывающему
изменение числовой плотности частиц в верхней атмосфере:
dNj
dt
dN,. NW.
-W.—J- + —
J dr H
+ Nj.
(3.5.7)
Если использовать приведенную толщину сферического слоя ДЛ, уравнение
(3.5.7) может также приближено описать и оседание частиц, находящихся на эллип-
тических орбитах. При этом переменная г для эллиптических орбит должна тракто-
ваться как высота перигея.
3.5.3.3. Критерии возникновения цепного процесса саморазмножения КМ и условия
его обратимости
Последний член в уравнении (3.5.7) отражает приток частиц к j-ой фазе за счет
внешних источников и за счет фрагментации при столкновениях. Внешние источни-
ки могут быть введены в модель в качестве дополнительных управляющих парамет-
ров, и роль этих членов будет зависеть от принятых значений этих параметров, кото-
рые прогнозируют будущую деятельность человека в космосе.
Сосредоточимся теперь на внутренних механизмах самовоспроизводства КМ при
столкновениях. Можно рассмотреть крайний случай, когда N = 1. В этом предполо-
962
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
жении существует лишь одна фаза (\|/i i * 0)- Частицы, произведенные при столкнове-
ниях, будут меньших размеров и должны перейти в другую фазу. Для однофазной же
модели новообразовавшиеся частицы останутся в этой же фазе, что приведет тем
самым к уменьшению среднего диаметра фрагментов.
В этом случае интенсивность фрагментации может быть определена формулой [9]:
\|/1) = 7td2H2vT'I', (3.5.8)
где 4х - среднее число частиц мусора, образовавшихся при одном столкновении и
остающихся на орбитах в течение достаточно длительного времени, чтобы быть уч-
тенными в долговременном прогнозе; vT - скорость, касательная к траектории.
Начальные стадии эволюции орбитального мусора характеризуются его разре-
женностью, при этом столкновения частиц редки и средний диаметр частиц остается
стабильным. Рост числа частиц в результате столкновений пропорционален квадрату
их числовой плотности (3.5.8): \|/ц ~п\ После того, как числовая плотность мусора
превысит критическое значение, столкновения будут происходить более часто, чи-
словая плотность частиц будет быстро увеличиваться, а их средний диаметр -
уменьшаться.
В предположении, что в перспективе новые поступления КМ будут исключены
(резко снижены), можно ожидать стабилизации количества КМ на орбитах (если
пренебречь его постепенным уменьшением из-за оседания):
а = — nd3n = const (для компактных элементов); (3.5.9)
6
а = nd2$n = const (для плоских элементов).
Таким образом, интенсивность роста количества КМ для компактных элементов
будет пропорциональна п4/3, а для плоских - п, что следует из (3.5.8), (3.5.9). Сила
атмосферного торможения возрастает с уменьшением размера частиц, тем самым
ускоряется оседание мелких частиц, что приводит к увеличению эффекта самоочи-
щения низких околоземных орбит (уменьшению а).
Уравнение (3.5.7) позволяет получить оценку критической числовой плотности,
превышение которой ведет к каскадному эффекту самовоспроизводства мусора в
заданном слое по высоте.
Предполагая, что число частиц на единицу объема распределено равномерно,
можно указать два конкурирующих механизма, управляющих изменением числа час-
тиц в слое: с одной стороны, производство и самовоспроизводство, а с другой сторо-
ны - самоочищение из-за оседания (3.5.7). При этом критерий роста числа частиц
будет следующим:
NW
----+ N. >0. (3.5.10)
Я(г) Е
Интенсивность роста числа частиц Nz является суммой самовоспроизводства в ре-
зультате столкновений и производства за счет внешних источников. Поскольку про-
изводство за счет внешних источников зависит прежде всего от тактики космической
деятельности, эта величина может считаться слабо меняющейся и несущественно
влияющей на момент наступления каскадного эффекта по сравнению с членом, отве-
чающим за самовоспроизводство. Таким образом, пренебрегая членами, отвечающими
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
963
за внешнее производство КМ, можно определить критическую числовую плотность,
при которой начинается каскадный процесс цепного саморазмножения КМ:
з с ра(г) г______1_
2тсс73 f р Н(г)Ч>’
(3.5.11)
где Cf- усредненный баллистический коэффициент.
Неравенство (3.5.11) показывает, что рост числа обломков при столкновении Т и
диаметра частиц d приводит к уменьшению критической числовой плотности, а уве-
личение коэффициента сопротивления - к ее возрастанию. Критическая плотность
уменьшается с высотой из-за экспоненциального падения плотности атмосферы, ко-
торое подавляет все прочие зависящие от высоты множители.
Выполнение неравенства (3.5.11) означает, что дальнейший рост числа фрагмен-
тов будет происходить независимо от внешних воздействий, приводя тем самым к
пропорциональному возрастанию опасности столкновений с КА.
Оценка (3.5.11) показывает, что в зависимости от начальных условий каскадный
процесс роста количества КМ из-за самовоспроизводства на различных высотах
может начаться независимо. Однако формула
(3.5.11) получена на основе большого числа
существенных упрощений. Тем самым она
прежде всего дает качественную оценку. Для
получения количественных прогнозов требует-
ся произвести интегрирование дифференци-
альных уравнений (3.5.5) с учетом наличия
многих фаз КМ (/ = 1,...,А) и межфазного об-
мена.
Еще одна качественная оценка долгосроч-
ного сценария эволюции орбитального мусора,
основанная на неравенстве (3.5.11), состоит в
следующем. Критическая числовая плотность
Рис. 3.5.10. Верхняя и нижняя границы
для критической плотности КМ
возрастает с уменьшением диаметров частиц
(кривая 1 на рис. 3.5.10). Средний диаметр час-
тиц уменьшается при фрагментации, что вызы-
вает рост числовой плотности. Последняя в отсутствие новых запусков не может рас-
ти быстрее, чем
п < 6а/(тс<73).
(3.5.12)
Объемная концентрация КМ а уменьшается вследствие эффекта самоочищения,
вызываемого атмосферным сопротивлением. Эволюционное уравнение для а выгля-
дит следующим образом:
да .„да aJ¥ 2aW
—=-W—+----------
dt dr H(r) r
Предполагая, что а распределено равномерно, можно получить оценку:
doc ( 1 2^|
dt \H(f) г)
(3.5.13)
(3.5.14)
что выполняется всегда, поскольку W< 0 и Н(г)! г <& 1.
964
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
После того, как с момента прекращения влияния внешних источников загрязнения
космоса (прекращения новых запусков и орбитальных взрывов уже выведенных ап-
паратов) прошло характерное время /*, для уменьшения а верна следующая оценка:
Г 3 ро (г) г vT/* ( D*
а<аоехр — t, = аоехр -~Cf—— т = а0ехр , (3.5.15)
\Н ) 2 р Я(г) а ) \ d )
где а0 - начальная объемная концентрация мусора в момент прекращения внешнего
его производства.
Формулы (3.5.12) и (3.5.15) позволяют получить верхнюю оценку числовой плот-
ности фрагментов с учетом самоочищения (кривая 2 на рис. 3.5.10):
6а0
п <—г ехр
nd3
(3.5.16)
d )
Оценка (3.5.16) существенно зависит от значения объемного содержания мусора
а0 в момент прекращения загрязнения космоса. Как видно из рис. 3.5.10, уменьшение
среднего диаметра фрагментов как результат столкновений в конечном итоге делает
текущую числовую плотность ниже критической для меньших диаметров (пересече-
ние кривых 1 и 2 на рис. 3.5.10). Это ведет к прекращению каскадного процесса: са-
моочищение подавляет самовоспроизводство. Тем самым анализ показывает, что в
будущем после прекращения космической деятельности самовоспроизводство долж-
но смениться самоочищением низких орбит.
Этот вывод отличается от выводов работ [5, 31, 32] о необратимости каскадного
процесса цепного саморазмножения. Характерное время, необходимое для того, что-
бы самоочищение превысило самовоспроизводство, может быть получено с помо-
щью решения нестационарной задачи с использованием полной системы уравнений.
Но в любом случае, как показывают настоящие асимптотические оценки, никогда не
поздно принять меры по уменьшению количества КМ. Уменьшение загрязнения кос-
моса в дальней перспективе приведет к полному самоочищению низких околоземных
орбит.
3.5.3.4. Численное исследование моделей долгосрочного прогноза с учетом
саморазмножения КМ
Чтобы провести численные исследования по разработанной модели, необходимо
более аккуратно определить уровень ежегодного образования новых частиц мусора в
единичном слое по высоте в результате космической деятельности, что может быть
сделано с помощью формулы, предложенной в [45]:
Qj = £((1-Fe~)AxDx+ FeAeDe~)(NIN'), (3.5.17)
где
^ = £pv/r;
7=1
L - число запусков в год; A j - среднее число частиц операционного мусора при успеш-
ном запуске; Ае - среднее число обломков, получающихся при орбитальном взрыве;
D\,De- доля фрагментов, остающихся в течение достаточно продолжительного вре-
мени (более года) на орбите после успешного запуска и после взрыва соответственно;
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
965
Fe - коэффициент, характеризующий число взрывов по отношению к числу запусков.
Формула (3.5.17), будучи приближенной, тем не менее вполне пригодна для исследо-
вательских целей, но она требует дальнейших существенных модификаций для целей
получения количественных прогнозов.
Другим аспектом, требующим обсуждения, является определение начальных ус-
ловий и указание начального распределения фрагментов по фазам. Чтобы не делать
модель слишком сложной, введем три фазы. Общее число каталогизируемых объек-
тов (d\ > 10 см) и их распределение по высоте представляется первой фазой. В до-
полнение к ней вводятся еще две фазы, описывающие неотслеживаемые объекты:
1 см < d2 < 10 см и 0,1 см < <73 < 1 см. Распределение неотслеживаемых объектов по
высоте в грубом приближении предполагается аналогичным функции распределения
отслеживаемых.
Учитываются столкновения следующих
типов: (1,1), (2,2), (1,2), (1,3) и (2,3). Число
частиц, образующихся при столкновениях,
было определено по аппроксимациям, пред-
ложенным в [3]. Вкладом частиц третьей
фазы в столкновения Ч^з можно пренебречь
из-за слишком малого размера образующих-
ся при таких взаимодействиях частиц.
Для численных расчетов были приняты
следующие прогнозы будущей космической
деятельности: L = 120 запусков в год; А\ = 4
объектов на один запуск; Ае= 125 объектов
на запуск; Dx = 0,63; De = 0,82; Fe = 0,03.
Начальное распределение фрагментов
всех трех фаз представлялось линейным, с
двумя пиками, что является линейной ин-
терполяцией распределения рис. 3.5.4. В
обычных (не логарифмических) координатах
начальный профиль распределения фраг-
ментов соответствует сечению t = 0 на
рис. 3.5.11. Вычисления производились в ин-
тервале высот 240-1400 км. Рис. 3.5.11 по-
казывает изменение во времени распреде-
ления по высоте фрагментов, принадлежа-
щих третьей фазе [47]. Распределение более
крупных фрагментов, принадлежащих 1-й и
2-й фазам, практически не меняется за дос-
таточно короткий рассмотренный временной
интервал. Были лишь зафиксированы изме-
нения распределения 2-й фазы на высотах
h <600 км и распределения 1-й фазы при
h < 450 км. Пространственное распределе-
ние 3-й фазы за рассмотренный интервал в
Рис. 3.5.11. Прогноз на 70 лет заселенности
околоземных орбит мелкой фракцией КМ
0,1-1,0 см: а - эволюция плотности
распределения мелких объектов по высоте,
б - профили плотности распределения для
трех последовательных моментов времени
966
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
70 лет претерпело существенные из-
менения. На малых высотах h < 550 км
произошло существенное снижение
количества мусора. Периодические
колебания числа фрагментов на этих
высотах связаны с 11 -летним циклом
солнечной активности. Для высот
600 км < h < 800 км амплитуды осцил-
ляций снижаются, а среднее умень-
шение числа фрагментов, происходя-
щее в первые годы, сменяется ростом
их числа из-за столкновений и фраг-
Рис. 3.5.12. Долгосрочный прогноз эволюции
техногенных загрязнений в ОКП
ментации более крупных частиц, при-
надлежащих другим фазам. Для еще больших высот имеет место рост числа фраг-
ментов.
На рис. 3.5.12 изображено изменение со временем распределения в пространстве
числа фрагментов 1-й и 2-й фаз в зависимости от высоты [9, И] в слое толщиной
50 км. Из рисунка видно, что рост числа крупных фрагментов остается весьма малым
в течение первых 200 лет. В настоящее время число фрагментов на орбитах много
ниже критического. После достижения критических условий число столкновений
катастрофически возрастает, и доминирующим процессом становится самовоспроиз-
водство мусора. Видно, что на разных высотах критические условия достигаются за
различное время. После достижения критической концентрации фрагментов на орби-
те пс эта орбита уже не может быть использована для космических полетов. При этом
предполагается, что новые запуски на орбиту прекращаются, и загрязнение орбиты
останавливается. Рис. 3.5.12 показывает, что после прекращения внешнего загрязне-
ния быстрый рост числа орбитальных фрагментов сменяется их медленным умень-
шением в результате процесса самоочищения. Тем не менее уменьшение количества
КМ является очень медленным процессом по сравнению с его ростом в результате
самовоспроизводства. Таким образом, орбита остается опасной для космических по-
летов в течение очень длительного периода времени.
Результаты, показанные на рис. 3.5.11 и 3.5.12, должны рассматриваться как каче-
ственный прогноз и служить лишь иллюстрацией свойств разработанной модели. Для
получения количественных прогнозов в модель должны быть внесены более деталь-
ные составляющие, а именно: модели производства мусора в результате столкнове-
ний и орбитальных взрывов.
Основные результаты математического исследования моделей эволюции КМ
можно резюмировать следующим образом.
Разработанная математическая модель эволюции КМ основывается на подходе
механики сплошной среды, что служит альтернативой классическим подходам с по-
мощью методов небесной механики, являющимся в настоящее время основой уже
существующих моделей. Модель способна отследить изменение многокомпонентных
облаков КМ, которые включают фрагменты различных типов.
Асимптотический анализ позволил вывести простой критерий, определяющий
критическую числовую плотность фрагментов, характеризующую начало каскадного
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
967
процесса самовоспроизводства мусора при столкновениях. Было показано, что в про-
тивовес общепринятой точке зрения столкновения объектов различных типов приво-
дят не только к самовоспроизводству мусора, но и к самоочищению низких около-
земных орбит, связанному с тем, что частицы малых диаметров значительно сильнее
подвержены действию атмосферного сопротивления.
Численные исследования, проведенные по разработанной модели, показали ее
чувствительность к изменениям внешних управляющих параметров. Было показано,
что каскадный процесс самовоспроизводства мусора может начаться не на всех орби-
тах одновременно.
В дальнейшем для получения количественных долговременных прогнозов эво-
люции орбитального мусора необходимо внесение в модель более подробных со-
ставляющих моделей, адекватно описывающих различные варианты разрушений в
космосе, а также использование более точных начальных данных по плотности
распределения различных фракций КМ на орбитах на текущий момент.
3.5.4. Расчет потока космического мусора па поверхность КА на заданной
орбите
При решении ряда прикладных задач необходимо знать характеристики потока
КМ относительно некоторой заданной орбиты. Одной из таких характеристик явля-
ется плотность потока частиц. Это число столкновений сферического объекта с еди-
ничной площадью сечения с частицами КМ за единицу времени. Мгновенное значе-
ние плотности потока Q(f) равно произведению концентрации частиц р на значение
относительной скорости в данной точке:
С(О = Р(ОИге1(О. (3.5.18)
В модели SDPA эта зависимость положена в основу вычислений. На интервале
одного витка траектория разбивается на некоторое количество участков. Характер-
ной особенностью применяемого алгоритма является способ определения зависимо-
сти относительной скорости от ее направления, которое характеризуется углом А
(рис. 3.5.13). Здесь у - угол между вектором скорости КА VSc и вектором скорости
приближающейся частицы КМ VSd; Vrei = VSd - VSc - векторная разность скоростей
частицы и КА. Для частного случая, когда орбита КА имеет малый эксцентриситет,
у »(Azsv - я) - AzsC. Здесь ^zSd, AzSc - географические азимуты направлений соот-
ветствующих векторов.
Расчет основан на использовании стати-
стического распределения направлений скоро-
сти КМ p(t,Az) в данной точке инерциального
пространства. Это распределение построено
для различных широт. В каждой из рассматри-
ваемых точек траектории организуется цикл
по возможным значениям угла Azj9 и из тре-
угольника скоростей вычисляются угол Aj, а
также горизонтальная составляющая относи-
тельной скорости Vr^(t^4j). Суммарное значе-
Рис. 3.5.13. Треугольник скоростей
968
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
ние относительной скорости вычисляется с учетом радиальной составляющей ско-
рости КА:
Ке1ал)=^(^ал))2+(^А0))2- (3-5.19)
Соответствующее значение потока КМ через рассматриваемый азимутальный
сектор (Aj, Aj + ДА) равно:
P{t,,Aj) = р(/,.) Кге1 (/,.,Л,-) , Az\ = Q(t., А}, (3.5.20)
где А/,- - время пребывания КА на z-ом участке траектории (wz, и, + Aw); zmax - число
разбиений траектории на участки по аргументу широты и.
Отклонение относительной скорости от горизонтальной плоскости (угол места ЕГ)
легко определяется из соотношения:
/
El(t,Aj) = arctg
(3.5.21)
Таким образом, для каждого из моментов времени /, и для каждого из азимуталь-
ных направлений подлета частиц Azj определены: относительная скорость (3.5.19),
азимутальное отклонение относительной скорости Aj, отклонение относительной
скорости от горизонтальной плоскости и поток КМ через рассматриваемый сектор
(3.5.20). Число такого рода данных равно произведению числа рассматриваемых
моментов времени на число интервалов разбиения возможных значений угла Az на
сектора. Полученный массив данных является основой решения различных при-
кладных задач. На основе этого массива определяются суммарные характеристики
потока КМ.
Поток КМ через азимутальный сектор (Aj, Aj + ДА) определяется суммированием
всех оценок вида (3.5.20). При этом для каждого из моментов времени подсчитывает-
ся число случаев к, когда угол А попадает в азимутальный сектор (Aj, Aj + ДА). В ре-
зультате получаем:
р(6) = ЕЕр(МД. (3-5-22)
/ к
Суммирование оценок (3.5.22) по всем возможным значениям угла Aj приводит к
оценке суммарного потока КМ через поверхность сферического КО с единичной
площадью сечения за виток:
=Еал)=ЕЕЕамд- (3-5-23)
j j < к
Вычисление отношений оценок (3.5.22) и (3.5.23) при различных значениях угла
Aj приводит к построению азимутального распределения потока КМ для данной ор-
биты:
pQkAj^PkA^/P^. (3.5.24)
Вычисление отношения суммарного потока (3.5.23) к длительности рассматри-
ваемого участка траектории приводит к оценке суммарной плотности потока КМ:
(3.5.25)
2>.
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
969
При расчете характеристик скорости столкновений сначала определяется азиму-
тальная зависимость относительной скорости для каждого из моментов времени:
= -----v л .------------• (3.5.26)
2, ММ*/)*
к
Здесь суммирование ведется по всем случаям попадания угла А в азимутальный сек-
тор (Лу-, Aj + ЛА). При усреднении оценок (3.5.26) по данным вычислений в различных
точках траектории необходимо производить их «взвешивание». При этом естествен-
ным является учет разных значений концентрации КМ и разной длительности участ-
ков траектории. С учетом изложенного вычисления выполняются по формуле:
£Йге//(,Я,.)р(/,.)Д/,.
(ЗЛ27)
/
Следует заметить, что при построении зависимости (3.5.27) усреднение выполне-
но по множеству частиц, с которыми может столкнуться данный КА. Здесь каждая из
частиц участвует в усреднении один раз. Данное обстоятельство обусловлено приме-
нением в качестве весовых коэффициентов величины р(/,) А/,. Иное усреднение при-
менено при построении азимутального распределения потока КМ (3.5.24). В соответ-
ствии с определением (3.5.18) плотность потока пропорциональна произведению
концентрации на относительную скорость. Поэтому здесь усреднение выполняется
по множеству возможных столкновений. Мы обращаем на это внимание потому, что
в настоящее время среди разработчиков моделей КМ нет полного согласия в опреде-
лении состава выходной информации, которая должна использоваться в дальнейшем
для решения разных прикладных задач и, в частности, для расчета вероятности про-
боя стенок.
Во многих случаях необходимо знать статистическое распределение направлений
относительной скорости р7ге1(А). Применяя для построения этой функции усреднение
по множеству частиц и следуя выработанной методике, получим:
(ЗЛ28)
J i к к
В соответствии с изложенным среднее значение относительной скорости опреде-
ляется как:
Йге1=ЕИге1Ц.) pV^Aj).
j=l
Среднее значение скорости столкновений определяется по аналогичной формуле:
Ko, = ZKe,(/ly)pg(/ly). (3.5.29)
j=I
При оценке последствий возможных столкновений КА, в частности при расчете
вероятности пробоя стенок КА, корректным усреднением является усреднение на
множестве возможных столкновений. Поэтому для такого типа прикладных задач
970
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Рис. 3.5.14. Характеристики потока КМ
относительно МКС: 1 -pKrei; 2 -pQ\ 3 - Krei
распределение pVrei(Aj) не вполне пригод-
но. Оно не учитывает разный «вклад» час-
тиц в вероятность столкновения, который
пропорционален значению относительной
скорости. Необходимое для таких случаев
статистическое распределение направле-
ний возможных столкновений определяет-
ся соотношением (3.5.24). Пример азиму-
тального распределения характеристик
потока КМ, рассчитанного с помощью
модели SDPA для международной косми-
ческой станции (МКС), представлен на
рис. 3.5.14.
Средние скорости столкновений, рас-
считанные по формуле (3.5.29), мало зави-
сят от размеров КО. Для рассмотренных высот и наклонений типовых орбит средние
скорости приведены в табл. 3.5.7.
Оценки плотности потока КМ различных размеров Q(hj)j через поверхность КА,
движущихся по круговым орбитам с разными высотами и наклонениями, приведены
в табл. 3.5.8. В каждой из ячеек последовательно записаны значения плотности пото-
ка для различных диапазонов размеров КМ (/ = 1,2, ..., 8, см. табл. 3.5.2).
Азимутальные распределения потока КМ (3.5.24) относительно разных круговых
орбит зависят в основном от наклонения орбиты и мало зависят от ее высоты и раз-
меров частиц КМ. Примеры такого рода распределений приведены на рис. 3.5.15.
Характеристики потока КМ относительно КА в области ГСО определяются по той
же методике, что изложена выше. Отличие оценок обусловлено близостью наклоне-
ний орбит и, как следствие, существенно меньшими значениями относительной ско-
рости.
На рис. 3.5.16 представлен пример результатов расчета плотности потока и от-
носительной скорости объектов с помощью модели SDPA-GEO [17]. Рассмотрен спут-
Таблица 3.5.7
Средние скорости столкновений
Наклонение Средняя скорость столкновений, км-с на высоте, км
400 600 800 1000 1200 1400
55° 10,8 10,9 10,9 11,6 10,9 10,8
65° 11,3 11,5 н,з 11,9 н,з Н,1
75° 12,2 12,4 12,3 12,8 12,1 11,9
85° 12,5 12,7 12,6 13,2 12,5 12,4
95° 13,1 13,3 13,2 13,0 12,4 12,2
105° 13,0 13,2 13,1 13,0 12,3 12,0
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
971
Таблица 3.5.8
Плотность потока КМ относительно КА на круговых орбитах
Наклонение, град. Диапазон размеров Плотность потока КМ, м 2тод \ на высоте, км
200 400 600 800 1000 1200 1400
1 5.18Е-4 2.49Е-3 9.02Е-3 1.91Е-2 2.74Е-2 1.67Е-2 1.67Е-2
2 4.18Е-5 2.00Е-4 7.39Е-4 1.58Е-3 2.22Е-3 1.34Е-3 1.35Е-3
3 8.85Е-6 4.23Е-5 1.52Е-4 3.17Е-4 4.25Е-4 2.47Е-4 2.38Е-4
55° 4 1.60Е-6 7.64Е-6 2.70Е-5 5.34Е-5 6.85Е-5 3.88Е-5 3.69Е-5
5 3.78Е-7 1.81Е-6 6.18Е-6 1.1 ЗЕ-5 1.37Е-5 7.53Е-6 7.15Е-6
6 1.44Е-7 6.90Е-7 2.35Е-6 4.01 Е-6 4.63Е-6 2.43Е-6 2.31 Е-6
7 5.39Е-8 2.57Е-7 8.54Е-7 1.35Е-6 1.47Е-6 7.23Е-7 7.07Е-7
8 6.69Е-8 3.20Е-7 1.23Е-6 2.67Е-6 3.08Е-6 8.96Е-7 1.26Е-6
1 5.62Е-4 2.69Е-3 9.81 Е-3 2.10Е-2 2.89Е-2 1.75Е-2 1.74Е-2
2 4.52Е-5 2.16Е-4 8.03Е-4 1.73Е-3 2.35Е-3 1.40Е-3 1.41 Е-3
3 9.58Е-6 4.59Е-5 1.65Е-4 3.48Е-4 4.49Е-4 2.59Е-4 2.49Е-4
65° 4 1.73Е-6 8.29Е-6 2.94Е-5 5.87Е-5 7.25Е-5 4.06Е-5 3.86Е-5
5 4.09Е-7 1.96Е-6 6.72Е-6 1.24Е-5 1.45Е-5 7.90Е-6 7.48Е-6
6 1.56Е-7 7.48Е-7 2.56Е-6 4.41 Е-6 4.90Е-6 2.55Е-6 2.41 Е-6
7 5.84Е-8 2.79Е-7 9.29Е-7 1.48Е-6 1.56Е-6 7.60Е-7 7.39Е-7
8 7.25Е-8 3.47Е-7 1.34Е-6 2.95Е-6 3.28Е-6 9.45Е-7 1.31 Е-6
1 6.87Е-4 3.29Е-3 1.19Е-2 2.62Е-2 3.63Е-2 2.20Е-2 2.35Е-2
2 5.50Е-5 2.63Е-4 9.77Е-4 2.17Е-3 2.95 Е-3 1.76Е-3 1.90Е-3
3 1.17Е-5 5.60Е-5 2.01Е-4 4.35Е-4 5.64Е-4 3.25Е-4 3.36Е-4
75° 4 2.11 Е-6 1.01Е-5 3.57Е-5 7.33Е-5 9.11Е-5 5.11Е-5 5.24Е-5
5 5.00Е-7 2.39Е-6 8.18Е-6 1.55Е-5 1.83Е-5 9.94Е-6 1.02Е-5
6 1.91Е-7 9.1 ЗЕ-7 3.12Е-6 5.50Е-6 6.17Е-6 3.22Е-6 3.34Е-6
7 7.1 ЗЕ-8 3.41Е-7 1.1 ЗЕ-6 1.85Е-6 1.97Е-6 9.64Е-7 1.ОЗЕ-6
8 8.85Е-8 4.23Е-7 1.63Е-6 3.72Е-6 4.19Е-6 1.21 Е-6 1.91 Е-6
1 7.46Е-4 3.57Е-3 1.ЗОЕ-2 2.90Е-2 4.18Е-2 2.52Е-2 2.47Е-2
2 5.99Е-5 2.86Е-4 1.06Е-3 2.40Е-3 3.40Е-3 2.03Е-3 1.99Е-3
3 1.27Е-5 6.08Е-5 2.18Е-4 4.80Е-4 6.50Е-4 3.74Е-4 3.52Е-4
85° 4 2.30Е-6 1.10Е-5 3.88Е-5 8.10Е-5 1.05Е-4 5.87Е-5 5.46Е-5
5 5.43Е-7 2.60Е-6 8.88Е-6 1.72Е-5 2.11Е-5 1.14Е-5 1.06Е-5
6 2.08Е-7 9.92Е-7 3.38Е-6 6.08Е-6 7.12Е-6 3.71 Е-6 3.40Е-6
7 7.75Е-8 3.70Е-7 1.23Е-6 2.04Е-6 2.28Е-6 1.11 Е-6 1.04Е-6
8 9.61Е-8 4.59Е-7 1.77Е-6 4.15Е-6 4.88Е-6 1.41 Е-6 1.80Е-6
1 8.21Е-4 3.93Е-3 1.43Е-2 3.20Е-2 4.12Е-2 2.48Е-2 2.44Е-2
2 6.59Е-5 3.15Е-4 1.17Е-3 2.64Е-3 3.35Е-3 1.99Е-3 1.97Е-3
3 1.40Е-5 6.69Е-5 2.40Е-4 5.29Е-4 6.40Е-4 3.68Е-4 3.48Е-4
95° 4 2.53Е-6 1.21Е-5 4.26Е-5 8.93Е-5 1.ОЗЕ-4 5.78Е-5 5.40Е-5
5 5.98Е-7 2.86Е-6 9.77Е-6 1.89Е-5 2.07Е-5 1.1 ЗЕ-5 1.04Е-5
6 2.29Е-7 1.09Е-6 3.72Е-6 6.70Е-6 7.01 Е-6 3.65Е-6 3.36Е-6
7 8.53Е-8 4.08Е-7 1.35Е-6 2.25Е-6 2.25Е-6 1.10Е-6 1.03 Е-6
8 1.06Е-7 5.06Е-7 1.95Е-6 4.58Е-6 4.79Е-6 1.38Е-6 1.80Е-6
1 8.1 ЗЕ-4 3.89Е-3 1.41 Е-2 3.08Е-2 3.87Е-2 2.35Е-2 2.47Е-2
2 6.52Е-5 3.12Е-4 1.15Е-3 2.54Е-3 3.14Е-3 1.88Е-3 2.00Е-3
3 1.39Е-5 6.62Е-5 2.37Е-4 5.10Е-4 6.01Е-4 3.48Е-4 3.53Е-4
105° 4 2.50Е-6 1.20Е-5 4.21Е-5 8.60Е-5 9.70Е-5 5.46Е-5 5.51Е-5
5 5.92Е-7 2.83Е-6 9.63 Е-6 1.82Е-5 1.95Е-5 1.06Е-5 1.07Е-5
6 2.26Е-7 1.08Е-6 3.67Е-6 6.45Е-6 6.57Е-6 3.44Е-6 3.49Е-6
7 8.44Е-8 4.03Е-7 1.33Е-6 2.17Е-6 2.10Е-6 1.ОЗЕ-6 1.08Е-6
8 1.05Е-7 5.00Е-7 1.92Е-6 4.36Е-6 4.45Е-6 1.29Е-6 1.98Е-6
972
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Наклонение 65°
Наклонение 95°
Наклонение 105°
Рис. 3.5.15. Статистические плотности распределения направлений тангенциальной
составляющей скорости возможных столкновений
ник с элементами орбиты: высота перигея 35 780 км, высота апогея 35 800 км, накло-
нение 0,05°, аргумент перигея 20°. В этом случае средняя относительная скорость
составляет-0,15 км-с”1.
Резкое изменение концентрации КМ в области ГСО привело к тому, что характе-
ристики потока КМ очень сильно зависят от элементов орбиты КА. В этих случаях
для решения прикладных задач необходимо применять специализированные компь-
ютерные модели. Для примера на рис. 3.5.17 представлены выводимые на экран мо-
нитора результаты расчетов по модели SDPA-GEO Выполнен расчет характеристик
столкновений КА с каталогизированными объектами. Элементы орбиты КА: высота
перигея 35 713 км, высота апогея 35 913 км,
наклонение 12,39°, аргумент перигея 209°.
Основные результаты расчета:
• плотность потока - 0,50-10”9 м”2-год-1;
• средняя относительная скорость -
0,50 км-с”1;
• средняя скорость столкновений -
0,72 км-с”1
В данном случае относительные скорос-
ти намного больше, чем в рассмотренном
выше случае. Их гистограмма приведена в
правом нижнем углу экрана. В левой части
рисунка в полярных координатах представ-
лено азимутальное распределение плотно-
сти потока объектов. Видно, что наиболее
вероятные направления подлета КМ нахо-
дятся в узких азимутальных секторах в
районе значений углов А = ±75°.
Рис. 3.5.16. Изменение концентрации р (1),
плотности потока Q (2) и относительной
скорости Кгс1 (3) каталогизированных КО
(d> 75 см) на интервале одного витка
ГЛАВА 3 5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
973
а Плотност. потока космического мусора для КА в области I tO *
ввод данных вероятность .троОся Поток Запись данны- Выход
Рис. 3.5.17. Вывод результатов модели SDPA-GEO иа экран
3.5.5. Прогнозирование эволюции многофазной популяции космического
мусора с учетом взаимных столкновении
З.5.5.1. Особенности математической модели и оценка вероятности столкновения
Совокупность объектов КМ, включающая частицы разных масс и скоростей, дви-
жущихся по орбитам с различными параметрами, моделируется многофазной сплош-
ной средой, как показано в разд. 3.5.3. При этом в определяющих уравнениях учиты-
ваются факторы, влияющие на эволюцию КМ, включая фрагментацию частиц при
столкновениях. Используется также модель прогноза и анализа КМ [44, 48, 49]. Эта
модель содержит усредненное описание для источников появления КМ, учитывает
столкновения частиц различных размеров, в том числе мелких фракций, приводящие
к появлению новых частиц, а также самоочищение с течением времени низких око-
лоземных орбит. Излагаемые ниже результаты были впервые опубликованы в рабо-
тах [50-52].
В основу расчетов положено уравнение вида (3.5.5), которое решается для набора
фазКМ(/= 1,2,..., А).
При анализе радиальной скорости частиц (скорости оседания) используется при-
нятая в нашей стране трсхслойная динамическая модель атмосферы [53], осреднен-
ная по суточному, полугодовому и геомагнитному эффектам.
Среднее число столкновений КА формы, близкой к сферической, с элементами
КМ малых размеров может быть определено следующим образом [44, 48, 49]:
г 2 л
— = Sp(/) Jp(t, A)yrct (t, A) dA = 5р(/)Йге1 (/). (3.5.30)
dt о
Здесь 5- характерная площадь сечения КА; р(/) - плотность КМ; А - азимут направ-
ления возможного столкновения КА с частицами КМ; - плотность распределе-
ния направлений потока КМ в данной точке пространства; Krd(/,/l) - зависимость тан-
974
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
генциальной составляющей скорости столкновения в данной точке пространства от
азимута. Интеграл Игс1 (/) имеет смысл средней скорости столкновений в данной точ-
ке орбиты.
Среднее число КО, пролетающих через единичную поверхность КА, совершаю-
щего один оборот вокруг Земли за время Г, определяется формулой:
_ ] Т 2л
Q = ~ Jp(O Jp(M) VKi(t,A) dAdt. (3.5.31)
О о
Изучение и оценка вероятностей столкновений объектов, относящихся к различ-
ным группам - крупных каталогизированных объектов, среднего размера (от 1 до
20 см), малых (например, от 0,1 до 1 см) и других более мелких фракций представля-
ет значительный интерес. Примем, что частицы КМ могут иметь различные размеры,
включая самые мелкие, которыми нельзя пренебречь. Возможный размер частиц бу-
дет характеризоваться плотностью распределения р(<7), зависящей от диаметра d.
Модифицируем формулу (3.5.30), принимая во внимание разнообразие размеров час-
тиц. Запишем выражение для пространственной плотности частиц размером более d
в виде:
р(с/,/) = Лг(с/) р(б/0,/), (3.5.32)
где коэффициент k(d) характеризует долю частиц размером больше d{}.
Введем величину N(p,d\,di) - среднее число столкновений одного КА диаметра
D с частицами размеров d\ d\<d< d2, тогда можно получить среднее число столкно-
вений в диапазоне высот [h, h + АЛ]. Производя суммирование N{D,dx,di) для всех КА
с размерами D: < D < D2, движущихся в данном высотном коридоре, получим сле-
дующую формулу:
N(h,h + ^h)Dd = FDdN(h,h + ^Q(d0,h,t0)(t-t0), (3.5.34)
где FDd рассчитывается по формуле:
^2 ^2
гм=- П(х+у)2адад. (3.5.35)
° £>,
Эта формула дает число столкновений объектов размеров из диапазона [£)ь Z?2] с час-
тицами размеров [d\, d2\, где N(h, Л + АЛ)са1 - число каталогизированных объектов в
высотном коридоре [h, h + АЛ].
В табл. 3.5.9 и 3.5.10 приведены результаты расчетов матрицы FDd для частиц ря-
да размеров (dj - левая границаj-го размера).
Полученные результаты показывают, что число столкновений частиц малых раз-
меров (менее 1 см) между собой и с большими объектами много больше, чем среднее
Таблица 3.5.9
Результаты расчетов функции ЛЦ)
j 1 2 3 4 5 6 7 8 9
dJy м 0,001 0,002 0,005 0,010 0,022 0,046 0,100 0,200 2,5
8130,7 1 302,6 208,7 33,4 Н,9 4,3 1,5 1,0 0,2432
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
975
Компоненты матрицы FD(h [м2]
Таблица 3.5.10
j!J 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 137,6 54,8 27,70 14,60 21,80 34,00 29,30 1546 16181
2 16,3 6,42 2,82 3,83 5,57 4,80 248,40 991,30
3 1,90 0,63 0,73 1,00 0,80 40,00 159,10
4 0,15 0,13 0,15 0,11 4,98 19,70
5 0,09 0,08 0,05 1,83 7,08
6 0,05 0,03 0,70 2,58
7 0,01 0,15 0,52
8 0,56 1,04
9 0,86
число столкновений каталогизированных объектов (размером более 10-20 см). Этот
результат свидетельствует о необходимости учета среднего числа столкновений час-
тиц КМ различных размеров.
В результате анализа модели было получено статистическое распределение веро-
ятных относительных скоростей столкновения спутников с элементами КМ в зави-
симости от параметров орбиты. Для спутников с наклонениями орбит 55°, 75° и 95°
средние ожидаемые скорости столкновений соответственно равны 10,7; 12,2 и
13,1 км-с"1.
3.5.5.2. Модель фрагментации при высокоскоростном столкновении частиц КМ
Фрагментация элементов при столкновениях и роль фрагментации в увеличении
количества КМ всегда были предметом обсуждений [55-58]. Здесь результаты столк-
новений описываются моделью [38, 59], основные соотношения которой модифици-
рованы для моделирования эволюции орбитального КМ.
Рассмотрим высокоскоростное столкновение двух частиц с массами М\ и Л/2, ско-
рости которых в момент соударения Vj и V2 равны по абсолютной величине К, по-
скольку они движутся на одной высоте. Угол между векторами скоростей перед
столкновением равен 2р. Обозначим М= М\ + Л/2, к\ = MJМ, к2 = М2/М. Будем счи-
тать удар абсолютно неупругим. Это означает, что в момент удара частицы мгновен-
но изменяют свои скорости Vb V2 на общую скорость Уд/, которая рассчитывается из
закона сохранения импульса:
Vw = к,V, + к2\2, Vu = KVl-4A,*2sin2p. (3.5.36)
Частицы, обладающие до столкновения кинетической энергией
/2, M2V2 /2, приобретают после столкновения и внутреннюю энергию U\, U2.
Тогда из закона сохранения энергии имеем:
= + и = их+и2,
2
2
976
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
откуда находится величина U. Примем, что внутренняя энергия распределена по час-
тицам равномерно. Введем плотность внутренней энергии u=U/M, U\=M\U,
U2 = М2и. Тогда из закона сохранения энергии с учетом (3.5.36) получим:
u=^ktk2 (2Ksinp)2 (3-5.37)
Если массы частиц значительно отличаются « М2), то принимается, что толь-
ко часть массы большой частицы М2, равная ГМ2 (0 < Г < 1), может быть фрагменти-
рована, т. е. в формуле (3.5.37) вместо М2 фигурирует ГЛ/2, как в модели [60].
Внутренняя энергия частиц после столкновения U\,U2 слагается из упругих энер-
гий Ei=Miei, Е2 = М2е2, и неупругих (диссипаций) Di=Midi, D2 = M2d2, которые
также равномерно распределены по частицам:
U\ = Ei + Di, U2 = E2 + D2, iii = £i + di, u2 = e2 + d2.
Однако доля упругой энергии во внутренней энергии одной частицы, вообще
говоря, не равна соответствующей доле для другой частицы.
После соударения в результате сложных термомсханических волновых процессов
необратимого деформирования и микроразрушения, детальное описание которых мы
оставляем без рассмотрения, частицы полностью разрушаются, т. е. распадаются на
отдельные фрагменты. В качестве критерия макроразрушения примем энтропийный
критерий предельной удельной диссипации: d < сГ, где сГ - предельная удельная дис-
сипация, определяемая экспериментально [61-63].
Будем считать, что в момент разрушения частиц выполняются равенства
dx = d*, d2 = d2 и константы dx и d2 для материалов частиц известны. Естественно,
что если, например, щ < dx, то разрушения первой частицы не происходит.
Упругая энергия, накопленная в частицах в результате соударения, будет равна:
Ех = kxU-Mxdx, Е2 = k2U - M2d2.
Часть упругой энергии Е{, Е2 пойдет на разрушение частиц (создание новых сво-
бодных поверхностей). Пусть доля упругой энергии, затрачиваемая на разрушение,
для частиц одинакова и равна к. Тогда энергия, идущая на разрушение частиц
Е{, Е{, будет равна:
Е{ =кЕх,Е2 =кЕ2 (0<£< 1).
В случае к = 1 вся упругая энергия расходуется на разрушение.
Для описания распределения фрагментов по массе используется модифицирован-
ное распределение Вейбулла [59]:
^<w) = ^[l-exp[-((w-wmin)/w.)A)],mmin <rn<rnmm. (3.5.38)
Здесь N(< т) - число осколков с массой, меньшей т\ NQ - полное число осколков;
- характеристическая масса распределения; А > 0 - показатель качества дробле-
ния; wmin, штах - соответственно минимально и максимально возможная массы фраг-
ментов частицы. Предполагается, что из всего спектра фрагментов частицы с массой
Ма (а = 1, 2) можно выделить Ка ансамблей фрагментов с массами т2,..., так :
< < < ^2а < ... < таКа < <ах.
На минимально возможную массу осколков w“in накладывается ограниче-
ние [59], которое необходимо учитывать при выборе ансамблей масс фрагментов.
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
977
Скорость каждого фрагмента та. складывается из скорости движения одинако-
вой для всех фрагментов и скорости разлета от точки соударения. Вектор скорости
фрагмента v“ направлен от точки соударения, и его направление является случайной
величиной для каждого из Na фрагментов частицы а [59]. Диаметр dj частицы с
массой можно оценить следующим образом: dj «(s“ / л)1/2, где s“- площадь
возникающей поверхности разрушения для фрагмента .
В качестве примера приведем результаты моделирования столкновения двух час-
тиц: стальной массой 2 г и алюминиевой массой 20 г. Высота круговой орбиты эле-
ментов 950 км, величина sin р, входящая в формулы (3.5.36-3.5.37), изменялась в
пределах 0-1. В табл. 3.5.11 представлены результаты расчета числа фрагментов раз-
личных масс, как оставшихся на орбите, так и сошедших с нее. Всего образовалось
1 797954 фрагментов различных размеров, 943 717 - 52% из них - продолжили дви-
жение по орбите, оставшиеся 48% частиц сошли с нее. Видно, что больше всего об-
разовалось частиц размера 0,025-0,05 см. В табл. 3.5.12 представлено распределение
числа фрагментов различных размеров по высоте перигея.
Таблица 3.5.11
Число фрагментов различных размеров, оставшихся на орбите
после столкновения частиц, и сошедших с нее
№ частиц Размеры фрагментов (нижняя граница, [см])
0,0025 0,005 0,010 0,025 0,050 0,100 0,25 0,50 1,0
Оставшиеся на орбите
;»=1 jа ~ 2 5 4427 486 39976 28401 217271 43 053 547138 1256 7387 121 3716 12 452 1 16 0 1
ja = 1 5 444 Сошед] 25 884 иие с орбит! 38870 я 1069 96 9 1 0
Л = 2 4033 36416 197674 495 929 50402 3 086 346 10 1
Таблица 3.5.12
Распределение числа фрагментов различных размеров по высоте перигея
Высота, км Размеры фрагментов (нижняя граница, [см])
0,0025 0,005 0,010 0,025 0,050 0,100 0,25 0,5 1,0
450 36 328 2010 5 036 652 60 10 1 0
550 36 328 2010 5036 652 60 10 1 0
650 36 328 2010 5 036 652 60 10 1 0
750 36 328 2010 5036 652 60 10 1 0
850 36 328 2010 5 036 652 60 10 1 0
950 4253 38 825 235 620 565013 55383 3539 414 14 1
Всего 4433 40465 245 670 590193 58643 3 839 464 19 1
978 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
3.5.5.3. Результаты моделирования столкновений элементов КМ
Рассмотрим различные КО, высота перигея которых не превышает 2 000 км. Бу-
дем полагать, что только этот параметр существенно влияет на эволюцию распреде-
ления числа КО.
Моделировалась эволюция КМ за период с 1960 по 2000 гг. при рассмотрении 36
ансамблей частиц по размерам. Предсказания были сделаны как с учетом, так и без
учета взаимных столкновений КО размера большего 0,1 см. Кроме того, рассматри-
валась версия «частичных столкновений», в которой принимались во внимание
столкновения всех КО за исключением каталогизированных. Для версий со столкно-
вениями данные о числе КО различных размеров в 2000 г. представлены в двух верх-
них строках табл. 3.5.13.
Естественно, что в случае учета столкновений число мелких частиц КМ больше,
чем когда столкновения не учитываются (третья строка в табл. 3.5.13). Значительные
изменения наблюдаются только для частиц размера более 0,1-0,5 см. Учет столкно-
вений приводит к тому, что число частиц возрастает на 18-22%, чем без учета столк-
новений. В случае «частичных столкновений» оценка становится средней между
двумя другими. Данные табл. 3.5.13 свидетельствуют, что последствием столкнове-
ний КО различных размеров на рассмотренном временном интервале является
11-12-процентный рост числа частиц размера 0,1-0,5 см. Влияние этого источника
на популяцию крупных частиц КМ незначительно. Оценка вклада в уровень загряз-
нения частиц размера менее 0,1 см требует дополнительного анализа.
Сравнение высотного распределения числа КО в 100-километровом высотном
слое в 2000 г., полученное по моделям как с учетом столкновений КО различных
размеров, так и без их учета, а также в промежуточном случае, когда не учитывались
столкновения объектов размеров более 20 см, показывает, что максимальный вклад
последствий столкновений происходит в высотном коридоре 800-1 000 км от Земли
при учете взаимных столкновений и составляет в настоящий момент до 33% от обще-
го уровня засорения данного высотного слоя. В промежуточном случае рост состав-
ляет 16%. Расчеты показывают, что вклад взаимных столкновений каталогизирован-
ных объектов пренебрежимо мал по сравнению со вкладом столкновений всех других
рассматриваемых объектов. Однако вклад столкновений малых КО между собой и с
большими объектами довольно важен - он составляет 14%.
Таблица 3.5.13
Число частиц различных размеров в 2000 г.
Версии Размеры частиц, см
0,1-0,25 0,25-0,5 0,5-1,0 1,0-2,5 2,5-5,0 5,0-10 10-20 >20
Все столкновения 77,7-Ю6 7,57-Ю6 1,58-10* 203 000 81850 32500 16780 7699
Частичные столкновения 66,2-10* 6,75-10* 1,56-10* 201000 81730 32480 16780 7700
Без столкновений 65,7-10* 6,21-10* 1,55-106 200000 81710 32480 16780 7700
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
979
Таблица 3.5.14
Вероятности столкновений фрагментов КМ различных размеров в 1960-2000 гг.
л=1 jd 2 jd-l Jj = 4 Л/=5 jd=6 ;</=7 jd~ 8
;</=! 41,0 18,3 12,5 4,90 7,9 11,4 20,60 5490
1,5 1,6 0,50 0,73 1,00 1,78 463
jd 2 0,32 0,16 0,20 0,25 0,42 105
Л = 4 0,01 0,026 0,026 0,041 9,24
jd=5 0,009 0,015 0,019 3,58
jd=6 0,004 0,009 1,18
Jd = l 0,003 0,52
jd= 8 0,96
Анализ вероятностей столкновений фрагментов в рассматриваемом временном
интервале (табл. 3.5.14) показывает, что общее ожидаемое число столкновений в на-
стоящее время наиболее значительно для частиц размером 0,1-0,25 см, сталкиваю-
щихся с каталогизированными КО (5 490). Общее число столкновений каталогизиро-
ванных КО между собой относительно мало - равно 0,96.
Оценки общего числа фрагментов, появившихся в результате столкновений, для
всех возможных столкновений КО с размерами более 0,1-0,25 см; 0,25-0,5 см;
0,5-1,0 см; 1,0-2,5 см (включая сошедшие с орбит объекты) показывают, что общая
масса фрагментов равна 432 кг. Около половины этих фрагментов (43% по массе)
сходят с орбиты в результате столкновения. Другая часть фрагментов (47% по мас-
се) относятся к малым частицам размера менее 0,1 см. И только незначительная
часть объектов (9% по массе) относятся к частицам, большим 0,1 см. Таким обра-
зом, вклад столкновений в текущую популяцию частиц КМ размера 0,1-0,5 см су-
щественен.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На сегодняшний день проблема КМ является одной из глобальных проблем в
освоении космического пространства. Возникновение новой многокомпонентной
среды в ОКП, характеризующейся большими орбитальными скоростями и крайне
малыми скоростями оседания, фрагментацией при столкновениях и различными
техногенными источниками, привело к необходимости создания новых моделей
механики, описывающих эволюцию многофазного континуума, в котором каждое
столкновение элементов приводит к потере части массы (оседание и сгорание в
атмосфере) и образованию множества элементов, принадлежащих более мелким
фракциям. Для решения задач фрагментации при орбитальных столкновениях разра-
ботаны новые механические модели и критерии разрушения при высокоскоростном
соударении. Разработанные модели механики позволили получить долгосрочные
прогнозы эволюции образовавшейся техногенной среды для различных сценариев
будущей деятельности в ОКП.
980
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Сделанные расчеты вкладов столкновений частиц КМ различных размеров, нахо-
дящихся на высотах до 2 000 км, в рост числа техногенных объектов в ОКП показали,
что наибольший вклад столкновения частиц дают в диапазоне высот от 800 до
1 000 км.
Появление большого числа частиц малого размера в результате столкновений
приводит к ускоренному самоочищению ОКП, поскольку такие частицы быстрее те-
ряют высоту и сгорают в верхних слоях атмосферы. Принимая во внимание этот эф-
фект, вклад столкновений в так называемый «каскадный» эффект роста числа частиц
КМ на околоземных орбитах должен быть тщательно пересмотрен.
ЛИТЕРАТУРА
1. Smirnov N.N. (Ed.). Space Debris hazard evaluation and mitigation. Taylor and Francis Publ., London, 2002,
208 p.
2. Chobotov V.A. (Ed.). Orbital Mechanics. AIAA Education Series, Washington, 1996.
3. Chobotov V.A. Dynamics of orbital debris clouds and the resulting collision hazard to spacecrafts. FBIS,
Journal of the British Interplanetary Society, 1990, v. 43, No 5, pp. 187-195.
4. Flury W. Space debris: a European view. Proceedings of Space Debris Forum, JSASS, Tokyo, May 15, 1992,
pp. 37-54.
5. Kessler D.J. Collisional cascading: the limits of population growth in low Earth orbit. Advances in space Res.,
1991, v. 11, No 12.
6. Loftus J.P., Anz-Meador P.D., Reynolds R. Space debris minimization and mitigation plans and practices.
Space Debris Forum, JSASS, Tokyo, May 15, 1992, pp. 16-27.
7. YasakaT., Ishii N. Breakup in geostationary orbit: a possible creation of a debris ring. IAA-91-596. 42nd
Congress of the International Astronautical Federation, Montreal, October 5-11, 1991, pp. 1-12.
8. Perek L. Space debris as an issue for the international community. Space Debris Forum, JSASS, Tokyo, May
15, 1992, pp. 1-15.
9. Smirnov N.N., Dushin V., Panfilov I., Lebedev V. Space debris evolution mathematical modeling. Proc. 1st
European Conf, on Space Debris. ESA-SD-01, Darmstadt, 1993, pp. 309-316.
10. Reynolds R. Documentation of program EVOLVE: A numerical model to compute projections of the man-
made orbital debris environment. System Planning Corp. Tech. Rpt. OD91-002-U-CSP, 1991.
11. Иванов В.Л., Меньшиков В.А., Пчелинцев Л.А., Лебедев В.В. Космический мусор. Проблема и пути ее
решения. М.: Патриот, 1996, 360 с.
12. The orbital debris quarterly news. Johnson Space Center Houston, TX, OSA, 2004, v. 8, No 3.
13. Назаренко А.И. Моделирование техногенного загрязнения околоземного космического пространства.
Астрономический Вестник, 2002, т. 36, № 6.
14. Beltrami Р., Matney М., Nazarenko A. Comparison of Debris Fkux Models. Report IADC-2001-AI 19.2-v2_0.
15. Technical Report on Space Debris. United Nations Organization, A/AC, 105/720, New York, 1999.
16. Смирнов H.H. Эволюция космического мусора в околоземном космическом пространстве. Успехи ме-
ханики, 2002, т. 1, № 2, с. 37-104.
17. Nazarenko A.I., YurasovV.S. Space debris modeling in the GEO vicinity. Third European Conference on
Space Debris, Darmstadt, Germany, March 2001.
18. Чернявский Г.М., Назаренко А.И. Моделирование околоземного засорения космического пространст-
ва. В кн.: Столкновения в космическом пространстве. Под ред. Масевич А.Г. М.: Космоинформ, 1995,
с. 104-129.
19. Материалы 17-го, 1999 (Тулуза), 18-го, 2000 (Колорадо), 19-го, 2001 (Кельн) и 20-го, 2002 (Гуилдфорд,
Англия) совещаний IADC.
20. Jarvis К., Africano J. et al. Overview of GEO debris observations using the CCD debris telescope. Orbital
Debris Quarterly News, NASA, JSC, 2001, v. 6, No 3.
21. Lewis, Martin et al. GEO Modeling Comparison. 22nd IADC Meeting, April 2004.
ГЛАВА 3.5
КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКП
981
22. Portee D.S.F., Loftus J.P. Orbital debris: a chronology. NAS A/TP-1999-208856. Houston, 1999.
23. Krisko P. EVOLVE 4.0 preliminary results. Orbital Debris Quarterly News, 1999, v. 4, No 1, pp. 6-7.
24. Bendisch J., Klinkrad H., Krag H., Rex D., Sdunnus H., Wegener P., Wiedemann C. Results of the upgraded
master model. 50th IAF Congress, Amsterdam, 1999, IAA-99-IAA.6.4.05.
25. Walker R., Stokes P.H., Wilkinson J.E., Swinerd G.G. Long-term collision risk prediction for low Earth orbit
satellite constellation. 50th IAF Congress, Amsterdam, 1999, IAA-99-IAA.6.6.04.
26. Reynolds R.C. et al. NASA standard breakup model. Space Mission Systems & Services for NASA under
Task Order HECSN74D, 1998.
27. Назаренко А.И. Моделирование эволюции распределения техногенных частиц и объектов. Проблема
загрязнения космоса (космический мусор). М.: Космосинформ, 1993.
28. Назаренко А.И. Проблема «космического мусора» в околоземной среде. Раздел 8. Экологические про-
блемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую среду. Справочное посо-
бие. Под ред. Адушкина В.В., Козлова С.И. и Петрова А.В. М.: Анкил, 2000. с. 382-432.
29. Nazarenko A.I. Application of average contamination sources for the prediction of space debris environment.
AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting. Monterey, CA, February 1998. AAS 98-161.
30. Liou J.-C. et al. LEGEND - a full-scale multi-dimensional debris environment model. 20th IADC Meeting, Ap-
ril 2002, UK.
31. Rossi A., Anselmo L., Pardini C., Cordelli A., Farinella P., Parinello T. Approaching the experimental growth:
Parameter sensitivity of the debris evolution. Proc. First Europ. Conf, on Space Debris. Darmstadt, 1993,
ESASD-01,pp. 287-292.
32. Rex D., Eichler P. The possible long term overcrowding of LEO and the necessity and effectiveness of debris
mitigation measures. Proc. First Europ. Conf, on Space Debris, Darmstadt, 1993, ESASD-01, pp. 607-615.
33. Anz-Meador P.D., Potter A.E. Density and mass distribution of orbital debris. Acta Astronautica, 1996, v. 38,
No 12, pp. 927-936.
34. Касименко T.B., Рыхлова Л.В. Верхняя атмосфера как средство вычищения космического мусора. В кн.:
Столкновения в космическом пространстве. Под ред. Масевич А.Г. М.: Космоинформ, 1995, с. 169-172.
35. Полякова Е.Н. Роль давления света в астрономии и космических исследованиях. В кн.: Столкновения в
космическом пространстве. Под ред. Масевич А.Г. М.: Космоинформ, 1995, с. 173-251.
36. Микиша А.М., Смирнов М.А. Эволюция космических объектов на высоких орбитах под воздействием
давления излучения. В кн.: Столкновения в космическом пространстве. Под ред. Масевич А.Г. М.: Кос-
моинформ, 1995, с. 252-271.
37. Хуторовский З.Н., Каменский С.Ю., Бойков В.Е., Смелов В.Е. Столкновения космических объектов на
низких орбитах. В кн.: Столкновения в космическом пространстве. Под ред. Масевич А.Г. М.: Космоин-
форм, 1995, с. 19-90.
38. Smirnov N., Nikitine V., Kiselev A. Peculiarities of space debris production in different types of orbital
break-ups. Proc. 2nd European Conf, on Space Debris, Darmstadt, 1997, pp. 465-471.
39. Smirnov N., Kiselev A., Lebedev V. Mathematical modeling of space debris evolution in low Earth orbits.
Proc. 19th Int. Symposium on Space Technology and Science, Yokohama, 1994, 94-n-28p.
40. Киселев А.Б. Простейшая математическая модель разрушения космического аппарата при взрыве.
Журнал Прикладной Механики и Технической Физики, 1995, № 2, с. 159-165.
41. Smirnov N.N., Nikitine V., Kiselev A. Gas explosions in confined volumes. Proc, of Int. Symposium on Haz-
ards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions. Christian Michelsen Research AS, Bergen, 1996,
v. 2, pp. 515-561.
42. Matney M.J., Theall J.R. The Use of the satellite breakup risk assessment model (SBRAM) to characterize
collision risk to manmed spacecraft. 50th IAF Congress, Amsterdam, 1999, IAA-99-IAA.6.5.09.
43. Chobotov V.A., Spencer D.B. Debris evolution and lifetime following an orbital breakup. Joum. Spacecraft,
v. 28, No 6, 1991, pp. 670-676.
44. Nazarenko A. The Development of the Statistical Theory of a Satellite Ensemble Motion and its Application
to Space Debris Modeling. Proc. 2nd European Conf, on Space Debris. Darmstadt, 1997.
45. Talent D. Analytic Model for Orbital Debris Environmental Management. AIAA Paper, 1990, No 1363,
pp. 1-10.
982 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
46. Назиров Р.Р., Рязанова Е.Е., Сагдеев Р.З., Суханов А.А. Анализ процесса самоочищения космоса от
«мусора». Препринт ИКИ Pr-1670. М., 1990.
47. Лим И.Е. Моделирование эволюции космического мусора с учетом его саморазмножения. Дипломная
работа. Кафедра газовой и волновой динамики механико-математического факультета МГУ. М., 1995.
48. Назаренко А.И. Построение высотно-широтного распределения объектов в околоземном пространстве.
В кн.: Проблемы загрязнения космоса (космический мусор). М.: Косминформ, 1993, 114-126.
49. Назаренко А.И. Аэродинамическая аналогия взаимодействия поверхности космических аппаратов
различной формы с космическим мусором. Космические исследования, 1996, т. 34, № 3, с. 317-324.
50. Smirnov N.N., Nazarenko A.I., Kiselev А.В. LEO technogeneous contaminants evolution modeling taking
into account satellite’s collisions. Space Debris 2000. Ed. Bendisch J. Sc. & Technol. Series American Astro-
naut. Society, 2001, v. 103, pp. 99-112.
51. Смирнов H.H., Киселев А.Б., Назаренко А.И. Математическое моделирование эволюции космического
мусора на низких околоземных орбитах. Вестник Моск, ун-та, Матем., механика, 2002, № 4, с. 34-42.
52. Smirnov N.N., Nazarenko A.I., Kiselev А.В. Continuum model for space debris evolution with account of
collisions and orbital breakups. Space Debris Joum., 2004, No 2 (2000), pp. 249-271.
53. Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для баллистического обеспечения полетов искусствен-
ных спутников Земли. Гос. стандарт СССР. ГОСТ 25645.115-84. М.: Госкомитет СССР по стандартам,
1985.
54. Эльясберг П.Е. Введение в теорию полета искусственных спутников Земли. М.: Наука, 1965.
55. Interagency Report on Space Debris, OSTP, 1995.
56. orbital debris from upper stage breakup. Edited by Loftus J.R. AIAA Proceedings of the Conference, 1987.
57. Fucke W. Fragmentation Experiments for the Evaluation of the Small Size Debris Population. Proc, of the
First European Conference on Space Debris ESA-SD-01, Darmstadt, 1993, pp. 275-280.
58. Su S.-Y., Kessler D.J. Contributions of explosions and future collision fragments to the orbital debris envi-
ronment. Advances in Space Research, 1985, v. 5, No 2, pp. 25-34.
59. Киселев А.Б. Модель фрагментации при высокоскоростном соударении частиц космического мусора.
Вестн. Моск, ун-та. Матем. Механ., 2001, № 3, с. 50-55.
60. Kessler D., Cour-Palais В. Collision frequency of artificial satellites: creation of debris belt. J. of Geophysical
Research, 1978, v. 83, A6.
61. Киселев А.Б., Юмашев М.В. О критериях динамического разрушения термоупругопластической сре-
ды. Вестник Моск, ун-та. Матем. Механ., 1990, № 4, с. 38-44.
62. Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую при-
родную среду. Справочное пособие. Под общ. ред. Адушкина В.В., Козлова С.И. и Петрова В.В. М.: Ан-
кил, 2000.
63. Фомин В.М., ГулидовА.И., Киселев А.Б. и др. Высокоскоростное взаимодействие тел. Новосибирск:
Изд-во СО РАН, 1999.
ГЛАВА 3.6
ПРОБЛЕМА ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЗАСОРЕНИЯ
ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
| Чекалин С.В.|, Яковлев М.В., Михайлов М.А.
Центральный научно-исследовательский институт машиностроения
Список сокращений
ГСО геостационарная орбита
КА космический аппарат
КМ космический мусор
НОО низкоорбитальная область
ОКП околоземное космическое пространство
РЛС радиолокационная станция
PH ракета-носитель
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы все большее значение приобретает проблема техногенного за-
сорения околоземного космического пространства (ОКП), от решения которой зависит
безопасность будущей космической деятельности. В этой связи интенсивно разраба-
тываются меры по ограничению техногенного засорения ОКП, национальные и меж-
дународные нормативные документы, что сопряжено с модернизацией ракетно-кос-
мической техники и совершенствованием методов ее эксплуатации и утилизации.
Решение проблемы связано также с определением текущего и прогнозом ожидае-
мого уровня засорения ОКП, оценкой связанных с ним рисков для осуществления
космической деятельности и для населения Земли.
984 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Осколки, образовавшиеся в результате разрушения космических аппаратов (КА) и
верхних ступеней ракет-носителей (PH), составляют порядка 85% всего орбитального
мусора размером более 5 см. Согласно имеющейся информации, по состоянию на
конец 2004 г. на околоземных орбитах произошло около 180 разрушений космиче-
ских объектов, общая масса которых без топлива превышает 300 тонн, при этом 60%
каталогизированного космического мусора (КМ) вошло в атмосферу Земли.
Из общего числа разрушений космических объектов 36% приходится на верхние
ступени PH, остающиеся на орбитах после вывода КА. Случайные взрывы могут
быть также связаны с возникновением неисправностей в двигательных установках,
избыточным зарядом аккумуляторных батарей или использованием разрывных заря-
дов. Производились также намеренные разрушения.
Примерно 12% всего каталогизированного КМ в настоящее время составляют
объекты, отделяющиеся в процессе штатной процедуры запуска КА на орбиту и их
эксплуатации. Типичными объектами, подпадающими под эту категорию, являются
крепежные детали, грузы для компенсации рыскания и раскачки, сопловые заглушки,
крышки объективов, механизмы многомодульной полезной нагрузки и т. д.
Вопрос о космическом мусоре впервые был включен в повестку дня Научно-
технического подкомитета Комитета ООН по использованию космического про-
странства в мирных целях (НТПК ООН) на его тридцать первой сессии в феврале
1994 г. в соответствии с резолюцией 48/39 Генеральной Ассамблеи от 10 декабря
1993 г. Подкомитет пришел к мнению, что рассмотрение вопроса о КМ имеет важное
значение и что существует необходимость в международном сотрудничестве для
разработки соответствующих экономически приемлемых стратегий минимизации
потенциального воздействия засоренности космического пространства на будущие
космические полеты. На своих последующих сессиях НТПК ООН продолжил рас-
смотрение этого вопроса.
Более 10 лет при участии специалистов Федерального космического агентства и
других заинтересованных ведомств функционирует Межагентский координационный
комитет по КМ (МККМ), который был официально учрежден в 1993 г. В рамках
МККМ происходит информационный обмен и координация работ по проблеме КМ.
За последние несколько лет этим комитетом разработан и представлен в НТПК ООН
проект международного документа «Руководящие принципы предупреждения обра-
зования космического мусора» [1], регламентирующего достаточно жесткие требова-
ния к КА по ограничению техногенного засорения космического пространства.
Проблемы КМ периодически рассматриваются также в Международной астронав-
тической федерации, Международном союзе электросвязи и других международных
организациях, связанных с космической деятельностью.
3.6.1. Методы и средства контроля и прогноза техногенного засорения ОКП
Для определения текущего уровня техногенного засорения ОКП используются
различные средства наблюдения за КМ. Наземные измерения подразделяются на две
категории: радиолокационные и оптические. Радиолокационные измерения КМ ис-
пользуются, как правило, в отношении низких околоземных орбит, а оптические из-
ГЛАВА 3.6
ПРОБЛЕМА ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЗАСОРЕНИЯ ОКП
985
мерения - в отношении высоких околоземных орбит. Российская Федерация, США и
Европейское космическое агентство имеют в своем распоряжении сети радиолокаци-
онных станций (РЛС) и оптических телескопов для обнаружения, сопровождения и
каталогизации орбитальных космических объектов. Эти каталоги ведутся со времени
запуска первого искусственного спутника в 1957 г. и содержат, в том числе, данные о
фрагментах КМ размером более 10-30 см.
Для наблюдения космических объектов используются в основном два типа
станций.
1. РЛС с механическим управлением направленностью луча и параболическими
зеркальными антеннами. Такие РЛС используются в основном для слежения за спут-
никами и/или формирования их изображения, а второго типа - как для слежения, так
и для поиска.
2. РЛС с электронным управлением направленностью луча и фазированными ан-
тенными решетками. Такие РЛС могут одновременно обнаруживать и измерять мно-
жество объектов по различным направлениям.
В режиме слежения РЛС сопровождает объект в течение нескольких минут, что
позволяет получить данные о его угловом направлении, дальности и радиальной ско-
рости, а также об амплитуде и фазе отраженных радиолокационных сигналов. На
основании этих данных могут быть определены элементы орбиты и основные пара-
метры объекта (размер, масса и некоторые другие).
В режиме работы с фиксацией луча антенна фиксируется в заданном направлении
и осуществляет прием эхо-сигналов от объектов, пересекающих сектор обзора. Это
позволяет получить статистическую информацию о количестве и размерах обнару-
женных объектов, однако данные об их орбите являются менее точными.
В смешанном режиме РЛС сначала работает в режиме фиксированного луча, а по-
сле пересечения его объектом переходит на режим слежения, что позволяет получить
более точные данные об орбите. После того как соответствующие данные получены,
РЛС может вернуться к работе в режиме фиксированного луча.
Используются РЛС как моностатической конфигурации (общая антенна для пере-
датчика и приемника), так и бистатической конфигурации. В бистатическом режиме
в дополнение к излучающей антенне используется автономная приемная антенна.
Это позволяет повысить чувствительность, т. е. дает возможность обнаруживать ме-
нее крупные объекты, и гибко сочетать различные типы антенн.
Наземные оптические измерения позволяют обнаруживать частицы КМ, когда ос-
вещенный Солнцем объект находится на фоне темного неба. Для объектов, находя-
щихся в низкоорбитальной области (НОО), период возможного обнаружения ограни-
чен одним-двумя часами сразу после захода или до восхода Солнца. В то же время
наблюдения объектов на геостационарной орбите (ГСО) часто могут продолжаться в
течение всего ночного времени суток.
В области ГСО регистрируются, как правило, КА и корпуса PH. Однако есть ос-
нования полагать, что в районе ГСО имеются также небольшие обломки, образовав-
шиеся в результате взрывов. Для обследования района ГСО на предмет обнаружения
мелкого КМ приборы должны обладать высокой чувствительностью и иметь широ-
кий сектор обзора, что труднодостижимо. Для обнаружения в районе ГСО обломков
986 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
размером менее 1 м приборы должны быть способны обнаруживать объекты как ми-
нимум 17-й звездной величины, а для обеспечения быстрого обследования обширных
районов необходим как можно более широкий сектор обзора. Большинство астроно-
мических телескопов, обладающих достаточной чувствительностью, имеет неболь-
шой сектор обзора. Это хорошо для точного определения местонахождения спутника
(когда известно его приблизительное местонахождение), однако недостаточно для
обследования обширных участков небесной сферы.
Информацию о частицах размером менее нескольких миллиметров получают пу-
тем анализа поверхности КА или отдельных элементов конструкции, подвергшихся
воздействию космической среды, после их возвращения на Землю. Размеры наблю-
даемых вмятин и пробоин колеблются от тысячных долей миллиметра до нескольких
миллиметров. Так, на космической платформе LDEF после ее длительного экспони-
рования было обнаружено более 30000 вмятин, видимых невооруженным глазом, из
которых 5 000 превышали 0,5 мм в диаметре. Самая большая вмятина диаметром
5 мм образовалась, вероятно, в результате удара частицы размером ~1 мм. Результа-
ты данного исследования указывают на то, что некоторые соударения происходили с
большой частотой, что свидетельствует о наличии на орбитах скоплений мелких час-
тиц КМ.
Одна из основных проблем заключается в том, чтобы определить, какие из следов
оставлены метеорными телами, а какие - техногенным мусором. Одним из проверен-
ных способов определения происхождения частиц является химический анализ сле-
дов от ударов. Однако использование этого метода сопряжено с некоторыми труд-
ностями: из-за высоких скоростей соударения очень малые количества материала
сохраняют свой первоначальный состав. Материал частиц испаряется и затем кон-
денсируется на окружающих поверхностях. Поэтому во многих случаях не удается
точно установить происхождение частицы. В целях выявления взаимосвязи между
размером следа от удара и размером частицы проводятся наземные калибровочные
испытания (исследование высокоскоростных соударений частиц с различными ма-
териалами). На основе статистических данных о столкновениях и результатов калиб-
ровочных экспериментов можно определить значения потоков метеорных тел и КМ
как функцию размера частиц.
Аналогичную информацию получают также с помощью специальных датчиков
соударения с микрометеорными частицами и частицами КМ. С 1971 г. регулярно
проводились измерения потоков субмиллиметровых метеорных тел и частиц КМ на
орбитальных станциях «Салют» и орбитальном комплексе «Мир» с помощью емко-
стных датчиков и возвращаемых кассет с образцами материалов, экспонировавшихся
на внешней поверхности станций.
Измерения КМ можно производить также с помощью средств наблюдения, уста-
новленных на борту КА, что позволяет, как правило, получать более высокое разре-
шение ввиду меньшего расстояния между телескопом и объектом наблюдения. Кро-
ме того, в этом случае отсутствует возмущающее воздействие атмосферы. Так, астро-
номический спутник IRAS, выведенный в 1983 г. на солнечно-синхронную орбиту, за
10 месяцев наблюдений звездного неба в диапазоне длин волн 8-120 мкм зарегист-
рировал около 200 000 случаев визирования потенциальных объектов КМ.
ГЛАВА 3.6
ПРОБЛЕМА ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЗАСОРЕНИЯ ОКП
987
С использованием результатов наблюдений КМ и математического аппарата по-
строены модели засоренности ОКП. Они обеспечивают математическое описание
характеристик объектов в пространстве (например, размер, масса, плотность, отра-
жающие свойства, особенности перемещения). Эти модели разделяются на детерми-
нистские, в которых каждый объект описывается отдельно по своим параметрам ор-
биты и физическим характеристикам, статистические (характеристика совокупности
по выборочному числу объектов) и комбинированные, или гибридные.
Среди отечественных моделей следует отметить модель техногенного засорения
ОКП «SDPA-Е», разработанную А.И. Назаренко, на основе которой в 2005 г. выпу-
щен ГОСТ Р 25645.167-2005 «Космическая среда (естественная и искусственная).
Модель пространственно-временного распределения плотности потоков техногенно-
го вещества в космическом пространстве». Модель выполнена в виде компьютерной
программы и предназначена для быстрого, удобного и наглядного представления
основных характеристик техногенного засорения ОКП. Эти характеристики относят-
ся к частицам (объектам) размером более 1 мм и к двум высотным диапазонам: об-
ласти низких орбит и области геосинхронных орбит.
Среди зарубежных моделей следует отметить модель Европейского космического
агентства «MASTER» и модель NASA «ORDEM» последних лет разработки.
Если суммировать основные выводы исследований, выполненных по результатам
наблюдений за КМ и с помощью долгосрочных моделей засоренности, то можно от-
метить следующее.
• На высотах выше 900 км засорение космического пространства носит необра-
тимый характер. На высотах 1300-1500 км возможно каскадное размножение
частиц мусора вследствие столкновений их между собой и с микрометеорои-
дами. Постоянная времени роста количества частиц при каскадном размноже-
нии составляет величину порядка нескольких сотен лет, и к быстрому увеличе-
нию засоренности ОКП это явление не приведет, однако оно опасно вследствие
неотвратимости.
• Основными источниками засорения являются взрывы ракетных двигателей и
топливных баков, твердотопливные двигатели, ракетные тела и спутники, дли-
тельно находящиеся в ОКП.
• Значительный вклад в засорение в области высот 900-1 000 км внесло захоро-
нение на этих высотах спутников с ядерными реакторами на борту.
• Основную опасность для КА представляют осколки, возникающие при взрывах.
• Для незащищенных КА сопоставимую опасность представляют также метео-
роиды.
3.6.2. Опасность столкновения космических объектов с орбитальным мусором
При помощи моделей засоренности ОКП может быть дана оценка опасности
столкновения эксплуатируемых КА с фрагментами КМ. Низкоорбитальные КА по-
стоянно сталкиваются с многочисленными мелкими частицами (диаметром менее
100 мкм), однако из-за их небольшой массы и энергии последствия столкновений,
как правило, весьма незначительны. Следует все же отметить, что при соударении
988 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
КА с частицей диаметром более 100 мкм со скоростью свыше 7 км-с"1 плотность
энергии в пятне соударения достаточна, например, для сквозного пробоя фотопре-
образователей солнечных батарей толщиной менее 1 мм. По имеющимся оценкам
частота соударений с частицами диаметром 100 мкм в наиболее засоренной низкоор-
битальной области ОКП составляет порядка одного удара в год по поверхности пло-
щадью 2 м2.
Высокоскоростные соударения с частицами диаметром ~1 мм могут привести к
снижению функциональных возможностей КА и срыву программы полета, например,
в результате растрескивания герметизированного корпуса. Такие повреждения могут
также помешать осуществлению рассматриваемых ниже мер по пассивации или уво-
ду КА на орбиту захоронения по завершении программы полета [1].
Защита от частиц размером 0,1-1 см может быть обеспечена с помощью экранных
конструкций, отнесенных от корпуса на некоторое расстояние - чем больше, тем
лучше. Достаточно эффективным является отнесение на 5-10 см. При ударе нале-
тающая частица дробится на облако мелких осколков, разрушающее действие облака
ослабевает, если это облако успевает достаточно расшириться и ударные нагрузки
распределяются на большую площадь корпуса. Учет взаимного расположения эле-
ментов КА также может позволить значительно повысить его живучесть.
С одной стороны, расчет защиты КА опирается на модели околоземной среды,
включающей техногенный мусор и метеороиды. С другой стороны, для расчета
необходимы баллистические уравнения, определяющие размеры налетающей час-
тицы, удар которой может привести к критическому повреждению КА или его эле-
мента.
Решение задачи расчета риска повреждения КА является отдельной проблемой,
решаемой методами статистической механики. Ведущие программы этого типа
BUMPER, ESABASE, SHIELD, MDPANTO, COLLO решают также задачу оптимиза-
ции защиты и, таким образом, позволяют не только оценить вероятность поврежде-
ния КА вследствие удара, но и скомпоновать КА и разработать защитные конструк-
ции, обеспечивающие его максимальную надежность.
Наземные исследования баллистических уравнений носят ограниченный харак-
тер, поскольку их проведение во всем диапазоне скоростей и углов соударений не
представляется возможным. Максимальная скорость, достигаемая на современных
наземных ускорителях, составляет порядка 13 км-с"1 (например, с использованием
кумулятивных зарядов), однако основная масса имеющихся данных касается соуда-
рений при скорости 7 км-с"1. В настоящее время разрабатываются и совершенствуют-
ся новые методы расчета процессов соударения при скоростях 5-15 км-с"1. Большое
внимание в настоящее время уделяется разработке методов численного моделиро-
вания.
Для оценки стойкости корпусов КА к воздействию высокоскоростных частиц
удобно использовать понятие предельной толщины преграды, определяемой как мак-
симальная толщина, при которой для данной скорости удара V наступает сквозное
разрушение, выражающееся хотя бы появлением разгерметизирующих трещин. Зави-
симость, связывающая предельную толщину неразрушасмой преграды со скоростью
удара для различных материалов ударника и корпуса (экрана), называется баллисти-
ческим уравнением.
ГЛАВА 3.6
ПРОБЛЕМА ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЗАСОРЕНИЯ ОКП
989
мусоре»
Для одиночной стенки баллистическое уравнение может быть записано в виде:
( мл I-,- 0,947368
d = (о, 106022 tH'/4y]pt/pp (с/У) )
где d- диаметр ударника, [см]; t - критическая толщина мишени, [см]; Я - твердость
материала мишени по Бринеллю, [МПа]; рр, р/ - плотности частицы и мишени; с -
скорость звука в материале ударника, [км-с-1]; V- скорость ударника, [км-с-1].
При столкновении с КА крупного фрагмента возможно полное разрушение КА с
образованием большого количества осколков.
Граница между режимами локального и полного разрушения может быть опреде-
лена из условия, что масса разрушенного материала соизмерима с массой объекта.
При скорости 10 км-с-1 масса разрушаемой снарядом алюминиевой конструкции
приблизительно в 2 300 раз превышает массу ударяющего по ней снаряда. В условиях
орбитального полета режим полного разрушения может реализоваться фактически
при встрече только с каталогизированными фрагментами КМ. При этом даже в наи-
более засоренных областях ОКП вероятность такой встречи для объекта площадью
100 м2 за 10 лет не превысит 10-2.
Характерные области значений количества столкновений каталогизированных
объектов в ОКП за год для трех сценариев изменения количества пусков (по данным
документа НТПК ООН «Технический доклад о
[2]) приведены на рис. 3.6.1, где область 1
соответствует сохранению существующей
интенсивности запусков; область 2 - сохра-
нению интенсивности запусков в течение
следующих 20 лет, а затем их прекраще-
нию; область 3 - прекращению дальнейших
запусков.
Опасность столкновения космических
объектов на ГСО в настоящее время недос-
таточно изучена. Ввиду ограниченного числа
таких объектов, их широкого пространст-
венного распределения и небольшой сред-
ней относительной скорости вероятность
столкновения на ГСО существенно меньше,
чем в НОО. Ограниченное число крупных
объектов вблизи ГСО позволяет прогнози-
ровать сближение функционирующих КА с
отслеживаемыми крупными (> 1 м) фрагментами КМ заблаговременно, что позво-
ляет уклониться от столкновения путем маневрирования.
К настоящему времени установлено два случая разрушения (один КА и одна верх-
няя ступень PH) на ГСО и около 40 разрушений разгонных блоков на орбитах, про-
ходящих через область ГСО (в период с 1976 по 2002 гг.). Это дает основание пред-
полагать, что здесь имеется достаточно много ненаблюдаемых фрагментов. Во мно-
гих случаях будет происходить широкое рассеяние фрагментов КМ как по высоте,
так и по наклонению.
Совокупное количество столкновений
Рис. 3.6.1. Области значении количества
столкновений за 1 год каталогизированных
объектов при разных сценариях
космической деятельности
990 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
3.6.3. Опасность входа в атмосферу фрагментов космического мусора
За 40 лет было отмечено свыше 16000 случаев возвращения в атмосферу Земли
каталогизированных космических объектов. Информации о нанесении существенно-
го ущерба или повреждений не поступало. В значительной степени это можно объяс-
нить большой площадью поверхности океана и низкой плотностью населения во
многих районах суши. На протяжении последних пяти лет приблизительно один раз в
неделю происходило возвращение в атмосферу Земли объекта с площадью попереч-
ного сечения около 1 м2 или более, причем, согласно имеющейся информации, неко-
торые из этих фрагментов не разрушались полностью.
Вхождение в атмосферу какого-либо объекта связано не только с опасностью ме-
ханического удара, но и с опасностью химического или радиационного загрязнения
среды. Объекты, уцелевшие в процессе аэродинамического нагрева, могут быть при-
чиной нанесения физического ущерба. Степень такой опасности зависит от характе-
ристик конечной орбиты, формы и физических свойств объекта.
Оценка опасности вхождения в атмосферу каких-либо объектов включает моде-
лирование движения объектов, анализ их разрушения, определение компонентов,
которые могут уцелеть при движении в плотных слоях атмосферы, и расчет общей
площади поражения.
3.6.4. Деятельность национальных и международных организаций
по решению проблем техногенного засорения ОКП
Проблема ограничения техногенного засорения ОКП впервые вышла на междуна-
родный уровень в 1984 г., когда на конференции КОСПАР состоялся семинар по КМ
с участием США, ФРГ, Чехословакии и стран, входящих в Европейское космическое
агентство. СССР подключился к обсуждению этих вопросов в 1989 г. на первой мос-
ковской встрече советских и американских специалистов. Далее, как уже указыва-
лось выше, в 1994 г. вопрос о КМ был включен в повестку дня НТПК ООН.
В 1999 г. на основе материалов, представленных объединенными в МККМ косми-
ческими агентствами различных стран, НТПК ООН разработал и принял документ
«Технический доклад о космическом мусоре» (А/АС.105/720) [2], в котором впервые
комплексно проанализирована проблема техногенного засорения ОКП, рассмотрены
основные направления ее решения, имеющиеся для этого средства и научно-
технический потенциал. Позднее (в 2002 г.) этим комитетом был разработан и пред-
ставлен в НТПК ООН проект уже упоминавшегося международного документа «Ру-
ководящие принципы предупреждения образования космического мусора» [1].
В 2002 г. в Международной организации по стандартизации (ISO) организована
Рабочая группа по КМ с целью разработки серии стандартов (более 20 наименова-
ний), направленных на ограничение техногенного засорения ОКП и обеспечение
безопасного функционирования КА. В США, Японии, европейских странах разрабо-
таны и используются национальные стандарты по ограничению засорения ОКП.
Необходимо отметить, что документ МККМ «Руководящие принципы предупре-
ждения образования космического мусора» пока остается единственным руководя-
ГЛАВА 3.6
ПРОБЛЕМА ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЗАСОРЕНИЯ ОКП
991
щим документом по КМ, принятым международным сообществом и являющимся,
несмотря на его рекомендательный характер, идеологической и технической базой
для разработки обязательных к исполнению документов, таких, как международные
и национальные стандарты.
Основными принципами по предупреждению образования КМ являются:
• предотвращение разрушений КА и PH на орбитах;
• удаление (увод) КА и орбитальных ступеней PH после завершения их целевого
функционирования из областей интенсивно используемых орбит;
• предотвращение опасных сближений космических объектов и их столкновений
на орбитах;
• ограничение КМ, образующегося в космосе при штатных операциях.
В «Руководящих принципах» впервые дано определение «защищаемых облас-
тей» - наиболее интенсивно используемых областей ОКП, которые в интересах
будущего должны быть защищены в отношении образования КМ:
• область А - низкоорбиталъная - сферическая область, которая включает в себя
высоты начиная от поверхности Земли до 2 000 км;
• область В - область вблизи ГСО - определяется как сегмент сферической обо-
лочки в высотном интервале: высота ГСО ±200 км; широтном интервале
0 ± 15° (высота ГСО составляет 35 786 км).
Предотвращение разрушений на орбитах
Для предотвращения разрушений на орбитах «Руководящие принципы» рекомен-
дуют как основную меру после окончания целевого функционирования проведение
«пассивации» орбитального объекта - сброс топлива и разрядку всех источников на-
копленной энергии, находящихся в составе КА или орбитальной ступени, в целях
уменьшения вероятности разрушения.
Типичные приемы пассивации включают дренаж или сжигание излишков ракет-
ного топлива, разрядку батарей, освобождение емкостей, находящихся под давлени-
ем, остановку маховиков и гироскопов и т. п. В этой связи следует отметить, что на-
личие в составе бортовых систем КА химически активных материалов различного
состава и назначения увеличивает вероятность взрыва при ударе частицы КМ [3].
Увод КА
Согласно «Руководящим принципам», рекомендуется удаление КА и орбиталь-
ных ступеней PH с рабочих орбит после выполнения ими программы полета. Из НОО
увод осуществляется в атмосферу или на орбиты с коротким временем жизни -
25 лет, из области ГСО - на орбиты с радиусом, большим высоты ГСО не менее, чем
на Я, вычисляемую по формуле:
Н =235 км + (1 000 СдЛ/ш),
где CR - коэффициент давления солнечного излучения (обычно в пределах 1-2);
А/т - отношение площади поперечного сечения КА к его «сухой» массе, [м2-кг-1];
235 км - сумма верхнего предела защищаемой области ГСО по ее высоте (200 км) и
максимальных отклонений орбиты КА за счет возмущений от воздействия Луны,
Солнца и гравитационного потенциала Земли (35 км).
992
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Ограничение образования КМ при штатных операциях
Меры по уменьшению засорения ОКП технологически отделяемыми объектами
принимать, как правило, относительно легко как в техническом, так и в экономиче-
ском отношении. В частности, стяжные хомуты и кожухи датчиков должны оставать-
ся на основном теле, а все фрагменты пироболтов должны удерживаться. Вместе с
тем возможны некоторые детали, отделение которых неизбежно, например, конст-
руктивный элемент, оставляемый на геостационарной переходной орбите при поле-
тах с многомодульной полезной нагрузкой.
Документ рекомендует принимать все возможные технические меры для сниже-
ния количества и локализации во времени и пространстве КМ, образующегося при
штатных операциях.
Столкновения на орбите
Вероятность случайного столкновения на околоземной орбите в настоящее время
является незначительной, однако увеличение числа и размеров КА ведет к повыше-
нию такой вероятности. К числу эффективных мер, позволяющих ослабить последст-
вия повреждений в результате столкновений, относится совершение маневров укло-
нения.
В России основным документом, регламентирующим меры по ограничению техно-
генного засорения ОКП, является отраслевой стандарт Роскосмоса ОСТ 134-1023-2000
«Изделия космической техники. Общие требования по ограничению техногенного
засорения околоземного космического пространства» [4], который разработан с уче-
том положений упомянутого документа МККМ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Документ МККМ «Руководящие принципы предупреждения образования космического мусора», 2005.
2. Документ НТПК ООН «Технический доклад о космическом мусоре» (А/АС. 105/720), 1999.
3. Yakovlev М. Radiation-induced explosive initiation. Journal of Applied Physics, 1999, v. 86, No 4,
pp.1915-1920.
4. Отраслевой стандарт Роскосмоса OCT 134-1023-2000 «Изделия космической техники. Общие требова-
ния по ограничению техногенного засорения околоземного космического пространства», 2000.
ГЛАВА 3.7
ВОЗМОЖНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ ФРАГМЕНТОВ
КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
С ЯДЕРНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ НА БОРТУ
Гринберг Э.И., Соколов Н.А.
ФГУП «Красная Звезда»
Список сокращений
ДВО достаточно высокая орбита
КА космический аппарат
КМ космический мусор
ЭГК электрогенерирующие каналы
ЭРДУ электрореактивная двигательная установка
ЯИЭ ядерный источник энергии
ЯЭДУ ядерная энергетическая двигательная установка
ВВЕДЕНИЕ
К началу XXI столетия техногенное засорение околоземного космического про-
странства достигло такого уровня, что вероятность (частотность) столкновений кос-
мического мусора (КМ) с космическими аппаратами (КА) становится значимой вели-
чиной. Основным негативным последствием столкновений фрагментов КМ между
собой (в том числе с прекратившими работу КА) является образование нового КМ.
Столкновение же КМ с КА, имеющим на борту ядерный источник энергии (ЯИЭ),
может привести к возникновению ситуации, создающей радиационную опасность
для населения. Кроме того, как и при столкновении КМ с обычными КА, в этом слу-
994
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
чае могут образовываться новые фрагменты КМ, но среди них могут быть и радиоак-
тивные. Поэтому необходимы научно обоснованные оценки как вероятности подоб-
ных столкновений, так и их возможных последствий. В настоящей главе приводятся
результаты таких оценок для отечественных КА с ЯИЭ на борту.
3.7.1. Отечественные объекты с ядерными источниками энергии
Применяемые в космосе ЯИЭ подразделяются на радиоизотопные и реакторные.
Отечественные радиоизотопные источники энергии на Ро-210, выведенные в космос
в период с 1965 по 1971 гг. (см. гл. 2.4), уже не представляют радиационной опасно-
сти, поскольку после их запуска прошли десятки лет, а период полураспада Ро-210 -
всего 138 дней.
Радиационно-опасными российскими ЯИЭ, остающимися на околоземных орби-
тах, являются реакторные источники энергии типа «Бук» на высокообогащенном
урановом топливе с термоэлектрическим преобразованием. Они использовались для
радиолокационного мониторинга поверхности Земли (RORSAT) [1]. Общий вид та-
кого ЯИЭ показан на рис. 3.7.1 [6]. Сами установки перешли уже в разряд КМ, их
реакторы давно выключены (последний спутник был запущен в 1988 г.), но радиоак-
тивность накопленных в них продуктов деления еще высока.
Первичный контур
Вторичный контур
Излучатель Отсек увода
Рис. 3.7.1. Космическая реакторная установка типа «Бук»
Меры по обеспечению радиационной безопасности таких КА предусматривали
их увод после окончания активной работы на орбиту ДВО. По определению, дан-
ному в принятых в 1992 г. Принципах ООН по использованию ЯИЭ в космосе,
ДВО - это достаточно высокая орбита со временем существования КА с ЯИЭ на
ней, достаточным для распада продуктов деления до безопасного уровня. Кроме
того, для таких установок была создана (начиная с ИСЗ «Космос-1176», запущен-
ного в 1980 г.) дублирующая система радиационной безопасности, обеспечиваю-
щая отделение активной зоны - сборки тепловыделяющих элементов (твэлов) - от
реактора [1,6]. Это делалось для гарантированного ее сгорания в случае аварийно-
го входа в плотные слои атмосферы. Но отделение сборки твэлов полезно и после
увода ЯИЭ на ДВО: время существования автономно летающей сборки твэлов
больше времени ее существования в составе ЯИЭ, что способствует более полному
распаду радиоактивных продуктов. Процесс отделения сборки твэлов показан на
рис. 3.7.2 [1,6].
ГЛАВА 3 7
ВОЗМОЖНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ ФРАГМЕНТОВ...
995
Радиационная защита
Рис. 3.7.2. Схема выброса сборки твэлов
В настоящее время на высотах -700-1 000 км находятся 29 КА с ЯИЭ типа «Бук».
В 13 из них активные зоны остаются внутри реакторов, а остальные - без активной
зоны, т. е. они радиационной опасности практически не представляют. На тех же вы-
сотах находятся 13 активных зон (сборок твэлов), которые могут создать радиацион-
ную опасность в случае их досрочного возвращения па Землю. Еще 3 сборки твэлов от
ИСЗ «Космос-1670, 1677, 1900» не идентифицированы в мировых каталогах КМ.
Кроме того, на высотах порядка 800 км находятся два КА («Космос-1818» и
«Космос-1867») с термоэмиссионными преобразователями энергии типа «Тополь»
(«Топаз») (рис. 3.7.3).
Ядерная энергетическая установка Приборный контейнер
/ Штанга
Рис. 3.7.3. КА «Космос-1818, 1867» с ЯИЭ «Тополь» («Топаз»)
Некоторые геометрические параметры объектов даны в табл. 3.7.1. В табл. 3.7.2
приведены даты запуска и увода на ДВО всех перечисленных выше объектов, а также
параметры их орбит (высоты перигея и апогея). Для ряда КА («Космос-1176»
и далее) указаны параметры двух орбит увода - самого КА и сборки твэлов. Времена
существования всех объектов на орбитах увода составляют сотни лет.
Параметры космических объектов
Таблица 3.7.1
Объект Масса, кг Длина, м Диаметр, м Количество, шт.
«Бук» (RORSAT) 1250 5,8 1,3 13
Сборка твэлов 53 0,6 0,2 16(13)
«Тополь» («Топаз») 3 800 10 1,3 2
996
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Таблица 3.7.2
Параметры орбит космических аппаратов с ядерными источниками энергии
№ п/п Спутник Дата запуска и увода на ДВО Высота перигея и апогея ДВО, км
запуск увод КА сборка твэлов
1 Космос-367 03.10.1970 03.10.1970 930/1020
2 Космос-402 01.04.1971 01.04.1971 964/1027
3 Космос-469 25.12.1971 03.01.1972 945/1025
4 Космос-516 21.08.1972 25.09.1972 925/1030
5 Космос-626 27.12.1973 10.02.1974 910/990
6 Космос-651 15.05.1974 25.07.1974 890/960
7 Космос-654 17.05.1974 30.07.1974 930/1015
8 Космос-723 02.04.1975 15.05.1975 890/980
9 Космос-724 07.04.1975 11.06.1975 865/945
10 Космос-785 12.12.1975 12.12.1975 900/1025
11 Космос-860 17.10.1976 10.11.1976 930/1005
12 Космос-861 21.10.1976 20.12.1976 930/1000
13 Космос-952 16.09.1977 07.10.1977 930/990
14 Космос-1176 29.04.1980 10.09.1980 900/955 890/930
15 Космос-1249 05.03.1981 19.06.1981 915/980 900/965
16 Космос-1266 21.04.1981 29.04.1981 905/960 905/940
17 Космос-1299 24.08.1981 05.09.1981 920/985 920/980
18 Космос-1365 14.05.1982 27.09.1982 900/975 890/960
19 Космос-1372 01.06.1982 10.08.1982 920/980 915/955
20 Космос-1412 02.10.1982 10.11.1982 905/995 910/960
21 Космос-1579 29.06.1984 27.09.1984 915/985 910/965
22 Космос-1607 31.10.1984 01.02.1985 925/990 920/965
23 Космос-1670 01.08.1985 22.10.1985 915/1000
24 Космос-1677 24.08.1985 23.10.1985 895/1000
25 Космос-1736 21.03.1986 21.06.1986 940/1005 940/990
26 Космос-1771 20.08.1986 15.10.1986 930/995 925/975
27 Космос-1818 02.02.1987 24.06.1987 790/805
28 Космос-1860 19.06.1987 28.07.1987 920/985 905/965
29 Космос-1867 10.07.1987 18.06.1988 790/805
30 Космос-1900 12.12.1987 30.09.1988 700/755
31 Космос-1932 14.03.1988 21.05.1988 940/1005 940/975
ГЛАВА 3.7
ВОЗМОЖНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ ФРАГМЕНТОВ...
997
3.7.2. Последствия возможного столкновения космического мусора
с ядерными источниками энергии
Основные сценарии столкновения КМ с КА, имеющими ЯИЭ, следующие:
• разрушение реактора или сборки твэлов при попадании в них КМ, приводящее
к образованию радиоактивных фрагментов КМ в космосе;
• столкновение каталогизированных, т. е. имеющих достаточно большие разме-
ры и массу, объектов КМ с ЯИЭ, вызывающее сокращение времени существо-
вания ЯИЭ, т. е. досрочный вход в плотные слои атмосферы Земли.
Последствия столкновений следует оценивать отдельно для ЯИЭ с термоэлектри-
ческим преобразованием («ByK»-RORSAT и сборка твэлов) и для ЯИЭ типа «То-
поль» («Топаз»). Они могут быть принципиально различными, так как в первом слу-
чае в качестве топлива используется уран с температурой плавления 1 406 К, а во
втором - двуокись урана с температурой плавления 2 900 К. Отличаются и конструк-
ции реакторов из-за различий в системах преобразования тепла в электрическую
энергию (термоэлектрическая и термоэмиссионная). В ЯИЭ «Бук» термоэлектриче-
ский преобразователь располагается отдельно и работает от жидкометаллического
контура, а в ЯИЭ «Тополь» преобразователь является встроенным, т. е. это реактор-
преобразователь.
З.7.2.1. Вероятность появления радиоактивных обломков в космосе и на Земле
При рассмотрении взаимодействия по первому из указанных выше сценариев не-
обходимо учитывать, что столкновение не с любым фрагментом КМ может привести
к катастрофическому разрушению КА. Катастрофическим будем считать разруше-
ние, когда не менее 10% исходной массы мишени превращается в обломки. Наиболее
вероятная относительная скорость столкновения объектов на низких околоземных
орбитах составляет ~12 км-с”1. Если рассматривать фрагменты КМ из стали, то при
столкновении со сборкой твэлов разрушение будет катастрофическим при размере
фрагмента КМ (эквивалентном диаметре)
около 25 мм (рис. 3.7.4).
В настоящее время вероятность появле-
ния частиц уранового топлива от хотя бы
одной из 16 сборок твэлов составляет 8-10"5
в год, а хотя бы от одного из 13 реакторов -
2-10”5 в год.
После образования урановые частицы
будут довольно длительное время находить-
ся на околоземной орбите до момента входа
в плотные слои атмосферы. Время их суще-
ствования зависит от размера, а также от
величины и направления импульса, получен-
ного в момент столкновения, т. е. от скорос-
ти и направления разлета частиц, от состоя-
ния атмосферы и ряда других факторов.
Рис. 3.7.4. Соотношение между размером d
и скоростью V стальных ударников, для
случая катастрофического разрушения:
1 - сборки; 2 - реактора
998
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
Было проведено математическое моделирование входа частиц топлива в плотные
слои атмосферы с учетом процессов нагрева, химического взаимодействия с компо-
нентами воздуха (образование окисной пленки на поверхности и ее сдувание), с уче-
том дробления расплава (если частицы плавятся при входе), с учетом испарения с
поверхности расплава и т. п. Рассматривая определенные параметры, например число
дочерних капель, образующихся при дроблении исходной расплавленной частицы,
как случайные числа со своими законами распределения, методом Монте-Карло был
получен статистически достоверный конечный диапазон размеров частиц, выпадаю-
щих на Землю. Начальный размер частиц выбирался из диапазона 1-20 мм. В худ-
шем случае получался конечный размер частиц в диапазоне 0,8-8,3 мм, распределен-
ный по логарифмически нормальному закону. Оценки радиационной обстановки в
районе выпадения частиц показывают, что доза облучения не будет превышать нор-
му (1 мЗв-год"1).
Все российские реакторные ЯИЭ находятся на орбитах с наклонением, близким
к 65°. Вероятность попадания частиц в среду обитания человека для таких орбит
составляет от 2-10-3 (в инфраструктуру) до 4,8-10-2 (в систему землепользования).
Поэтому максимальный годовой риск появления частиц в среде обитания человека
будет [2] не более 8-10’5х 4,8-10"2 = 3,8-КГ6.
Вероятность столкновения одного из 13 ЯИЭ типа «Бук» с каталогизированным
КМ, не приводящего к разрушению реактора, но создающего тормозной импульс,
составляет порядка 5-Ю"5 в год. Эквивалентный размер стального фрагмента КМ при
этом должен быть не менее 150 мм (масса не менее 16 кг) при указанной выше отно-
сительной скорости столкновения ~12 км-с"1. Для ЯИЭ типа «Тополь» аналогичная
ситуация для одного из двух ЯИЭ может реализоваться при эквивалентном размере
КМ не менее 180 мм (масса не менее 25 кг). Вероятность такого столкновения в на-
стоящее время оценивается как 5-10"6 в год.
В результате указанных столкновений реактор может перейти на эллиптическую
орбиту со следующими ориентировочными высотами апогея и перигея: для ЯИЭ ти-
па «Бук» - 950 и 440 км, а для ЯИЭ типа «Тополь» - 800 и 470 км.
Среднее время существования на таких орбитах будет около 50 лет. Если допус-
тить, что столкновение произойдет в 2005 г., то общее время до момента входа ЯИЭ в
плотные слои атмосферы, т. е. время, в течение которого снижается радиоактивность
объекта, для изделия «Бук» составит от 80 до 62 лет (первое значение - для ИСЗ «Кос-
мос-367», второе - для «Космос-1932»), а для изделия «Тополь» - около 63 лет.
Радиационные последствия таких сценариев для изделий «Бук» и «Тополь» со-
вершенно разные. Расчеты аварийного спуска реактора «Бук» показывают, что раз-
рушение топливных урановых сердечников происходит в диапазоне высот 52-38 км.
Появляющиеся в атмосфере урановые частицы по мере их спуска, нагрева, дробле-
ния, испарения образуют к моменту выхода на режим равновесного осаждения обла-
ко протяженностью 150 км. Диапазон размеров частиц в этом облаке d = 3-900 мкм, с
математическим ожиданием конечного размера Mdk = 50 мкм при доверительной ве-
роятности 0,9973.
Оценки радиационных последствий показывают, что дозы облучения и уровни за-
грязнения не будут превышать нормы, т. е. такой сценарий столкновения с КМ для
ГЛАВА 3.7
ВОЗМОЖНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ ФРАГМЕНТОВ...
999
изделия типа «Бук» радиационно безопасен. Риск появления частиц уранового топ-
лива от сгоревшего реактора в среде обитания человека составит:
/?5 5-10’5х 5-10’2 =2,5-10’6.
Для изделия типа «Тополь» расчеты показывают, что при спуске реактора разру-
шения ядерного топлива не происходит. На Землю будет падать частично повреж-
денный реактор с неразрушенной активной зоной, имеющей порядка 17 Ки накоп-
ленной активности.
При расчетах возможных доз облучения были использованы две схемы:
• радиоактивный фрагмент (или реактор) обнаружен и изъят специалистами в те-
чение суток после падения, но за это время был случайно найден населением - в
этом случае рассчитывалась доза облучения с расстояния 1 м в течение 24 часов;
• радиоактивный объект не найден после падения - рассчитывалось длительное
облучение в течение 1 года с расстояния Юме учетом экранировки источника
строением (коэффициент ослабления 2), растительностью (коэффициент ослаб-
ления 1,3), почвой (коэффициент ослабления 1,7).
Для обеих схем имеем существенное превышение допустимой дозы (1 мЗв-год"1).
Такую ситуацию следует рассматривать как радиационную аварию с выполнением
всех предусмотренных защитных мероприятий:
• постоянный мониторинг орбит ЯИЭ «Космос-1818» и «Космос-1867»;
• прогнозирование района входа этих объектов в плотные слои атмосферы и мес-
та падения на Землю в случае фиксации резкого изменения их орбит;
• оповещение органов власти о возможной ситуации, о мерах радиационной
безопасности, включая установление запретной зоны;
• поиск для обнаружения и удаления упавших опасных объектов (фрагментов);
• организация радиационного контроля территории падения и, при необходимос-
ти, ликвидация загрязнения;
• обследование и учет населения в зоне падения, оказание первой помощи насе-
лению.
Риск возникновения указанной ситуации в среде обитания составит:
R < 5-10’6х 5-Ю’2 = 2,5-Ю"7.
При столкновении с фрагментом КМ, приводящим к катастрофическому (10% ис-
ходной массы мишени превращается в осколки) разрушению реактора изделия типа
«Тополь», могут образоваться обломки электрогенерирующих каналов (ЭГК). Гра-
ничный эквивалентный размер фрагмента КМ, необходимый для такого разрушения
реактора изделия «Тополь», составляет не менее 80 мм (масса не менее 2 кг). Вероят-
ность такого столкновения с одним из двух ЯИЭ на данный момент составляет 10"5 в
год. Двуокись урана, находящаяся в ЭГК, не сгорает при входе в плотные слои атмо-
сферы. Один обломок ЭГК, упавший на Землю, может иметь активность порядка
43 мКи. Доза облучения от него может составить около 3 мЗв-год-1, что превышает
норму. Такая ситуация также должна рассматриваться как радиационная авария [3,4],
требующая выполнения указанных выше защитных мероприятий. Риск появления
радиоактивных объектов в среде обитания человека в данном случае составит:
R< 10"5 х 5-10~2= 5-10'7.
1000
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
3.7.2.2. Появление в околоземном пространстве частиц Na-K
Есть еще один класс нового КМ, появление которого связывают с ЯИЭ «Бук»
(«RORSAT»), - это частицы Na-K теплоносителя, не являющиеся радиоактивными.
Это обусловлено тем, что хотя при прохождении через активную зону теплоноситель
активируется, но период полураспада образующихся изотопов 24Na и 42К составляет
не более 15 часов, поэтому уже через неделю после выключения реактора теплоноси-
тель не представляет радиационной опасности.
Частицы Na-K появляются в космосе в результате удаления сборок твэлов из
корпуса реактора, т. е. в результате разгерметизации первого контура. Эта ситуация
уже неоднократно обсуждалась. Все объекты типа «Бук» имеют второй контур Na-K
теплоносителя, который остается герметичным после удаления сборки твэлов из ре-
актора. Однако возникает вопрос относительно возможности появления частиц Na-K
в случае пробоя второго контура при столкновении с КМ [5].
Были проведены исследования возможного пробоя второго контура и истечения
из него Na-K теплоносителя. Второй контур замкнут на холодильник-излучатель
(рис. 3.7.5), который, ввиду его большой
площади, является наиболее вероятной
зоной пробоя второго контура.
При рассмотрении возможности ис-
течения теплоносителя из второго кон-
тура нужно оценить температуру Na-K
эвтектики при различных условиях по-
лета, принимая во внимание, что ее тем-
т/. Рис. 3.7.5. Излучатель ЯИЭ
пература плавления составляет 262 К.
Температура эвтектики во втором контуре оценивалась с учетом следующих фак-
торов:
• прецессии восходящего узла орбиты (теневая, солнечная орбита);
• характера движения ЯИЭ вокруг его центра масс;
• отношения площади облучения Солнцем к площади излучения;
• собственного и отраженного теплового излучения Земли;
• коэффициента поглощения а$ солнечного света в диапазоне длин волн
0,3-3 мкм;
• излучения пассивного КА в инфракрасном спектре 7,2-10,6 мкм;
• изменения параметра а5/е в диапазоне 1-2 (е - степень черноты поверхности).
При проведении расчетов были приняты следующие значения тепловых потоков:
от Солнца Es = 1400 Вт-м”2; отраженного Землей Еотр = 265 Вт-м”2; собственного из-
лучения Земли Есоб = 220 Вт-м”2.
Средний коэффициент пребывания на освещенном участке орбиты Кс = 0,882,
диапазон его изменений 0,663-1. Сразу после увода на высокую орбиту ЯИЭ враща-
ется вокруг своей продольной оси с угловой скоростью 10 с”1. Известно, что пассив-
ный объект при наличии возмущений со стороны атмосферы стремится перейти во
вращение вокруг оси с максимальным моментом инерции. В 1982, 1992 и 1996 гг.
нами были инициированы сеансы наблюдений за движением ЯИЭ вокруг центра
масс, которые показали, что в течение нескольких суток после увода на высокую ор-
ГЛАВА 3.7
ВОЗМОЖНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ ФРАГМЕНТОВ...
1001
биту происходит перераспределение начальной угловой закрутки относительно про-
дольной оси (10 с'1), и появляется вращение вокруг поперечной оси с угловой ско-
ростью 0,314 с’1. Каждые три года эта поперечная скорость уменьшается примерно
вдвое за счет диссипации энергии.
Как показали расчеты, теплоноситель в элементах второго контура пассивного
ЯИЭ большую часть времени находится в жидком состоянии. Он замерзает в трубках
излучателя, когда ЯИЭ на теневой орбите попадает в тень Земли примерно на 1500 с
(четверть витка). На солнечной орбите теплоноситель остается в жидком состоянии.
Поэтому пробой излучателя в принципе может привести к истечению Na-K.
При пробое трубы с Na-K теплоносителем с одной стороны отверстия действуют
наружное давление (/?х « 10’13 атм) и силы поверхностного натяжения рпн Na-K эв-
тектики, которая не смачивает трубки при температуре менее 623 К. С другой сторо-
ны отверстия действуют давление насыщенных паров (/?н = 1,36-10’13 атм при 273 К)
и центробежные силы, возникающие за счет движения ЯИЭ вокруг центра масс (/?ц).
Сразу после пробоя близлежащие к отверстию слои Na-K эвтектики вскипают и, вы-
плескиваясь, снижают первоначальное заправочное давление в контуре. При появле-
нии в трубке свободного объема выполняется следующее неравенство:
А + Рн * />пн + Поскольку рн « рк, то остается: ри * рпн.
Развитие ситуации зависит от места пробоя, его расстояния до центра масс ЯИЭ и
угловой скорости движения ЯИЭ вокруг центра масс, которая, в свою очередь, зави-
сит от времени пребывания ЯИЭ на орбите. Расчеты показывают, что при отсутствии
полного разрушения излучателя в результате столкновения с КМ истечения теплоно-
сителя не будет ни у одного из ЯИЭ типа «Бук» даже при перерубании трубки излу-
чателя. По состоянию на 2005 г. возникновение утечки Na-K эвтектики из второго
контура возможно только для двух КА: «Космос-1900, 1932», но и то лишь при косом
рассечении заднего коллектора. Вероятность такого пробоя составляет 6-10’5 в год. К
2010 г. даже перерубание заднего коллектора не приведет к истечению теплоносите-
ля, за исключением небольшого выплеска в момент разрушения.
Что касается капель теплоносителя, попавших в космос, то даже на теневой орби-
те при а$/8 = 1 капли будут оставаться жид-
кими на половине витка. Наиболее вероят-
ная средняя температура капель будет 280 К.
На рис. 3.7.6 приведена зависимость време-
ни испарения капли от ее диаметра при раз-
личных температурах, показывающая, что
время испарения капли значительно превы-
шает время ее существования до входа в
плотные слои атмосферы с высоты 950 км.
Для капель диаметром 5-20 мм время суще-
ствования оценивается в 30-130 лет. На-
пример, капли теплоносителя диаметром
около 1 см, образовавшиеся при выбросе
активной зоны реактора (1-й контур), сой-
дут с околоземной орбиты приблизительно
за 60 лет.
Рис. 3.7.6. Время t испарения капли Na-K в
зависимости от ее размера d и температуры
1002 ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ РАЗДЕЛ 3
3.7.3. Опасность космического мусора для перспективных ядерных
источников энергии
На 41-й сессии Научно-технического подкомитета ООН в 2004 г. [6] были сдела-
ны три доклада о перспективах использования ЯИЭ в космосе: от Российской Феде-
рации, США и Европейского космического агентства.
В докладах были изложены основные задачи для КА с ЯИЭ: изучение дальнего
космоса и использование их как транспортно-энергетического модуля, обеспечи-
вающего перелет с околоземной орбиты на геостационарную и последующие пита-
ние КА. Вторая задача должна решаться с помощью ядерной энергетической двига-
тельной установки (ЯЭДУ) или с помощью электрореактивной двигательной уста-
новки (ЭРДУ).
В обоих случаях реактор запускается только на промежуточной орбите, куда КА с
ЯИЭ доставляется ракетой-носителем. Вероятность засорения окружающей среды
новыми частицами КМ или вероятность входа в атмосферу радиоактивного ядерного
топлива существует только при наложении аварий следующих типов:
• отсутствие включения двигателя (ЯЭДУ или ЭРДУ) с принятой вероятностью
~10’2;
• отсутствие выключения реактора, остающегося работать в дежурном режиме,
с принятой вероятностью ~1(Г2;
• столкновение с частицами КМ.
Вероятность столкновения реактора с крупным фрагментом КМ, приводящего к
образованию частиц радиоактивного топлива, составит 2-10-6 в год. Общая вероят-
ность образования радиоактивных частиц, определяемая произведением вероятно-
стей трех указанных выше событий, составляет ~2-10-10 в год.
В случае КА с ЭРДУ (рис. 3.7.7) вероятность возможного входа радиоактивных
элементов в атмосферу при наложении 3-х аварий составит -КГ11 в год.
Образование нового КМ из-за пробоя излучателя частицами существующего КМ
может произойти при наложении аналогичных аварий. Пробой частицей КМ коллек-
тора или трубопровода работающего ЯИЭ приведет к истечению частиц теплоноси-
теля. Вероятность такого столкновения
порядка 10"3-10"4 в год. Общая вероят-
ность истечения при наложении аварий
составит 10"7-10"8 в год. Ее можно
уменьшить за счет применения экранной
защиты коллектора и трубопровода
Сейчас применяют излучатели на
автономных тепловых трубах или сек-
ционированные. При пробое работаю-
щей трубы (вероятность ~10-5-10-6 в
год) может вытечь 10-15 г Na-K. Об-
щая вероятность истечения из тепловых
труб при наложении аварий составит
~10"10 в год.
ГЛАВА 3.7
ВОЗМОЖНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ ФРАГМЕНТОВ...
1003
Таким образом, вопрос радиационной безопасности для перспективных ЯИЭ
должен постоянно анализироваться, но принципиально нерешаемых проблем обеспе-
чения приемлемой степени радиационного риска нет. Учитывая, что риск досрочного
входа радиоактивных частиц в атмосферу Земли составляет около 1О~10 в год, риск их
появления в среде обитания человека будет порядка 5-10-12 в год. Даже за 1 000 лет
максимальная величина риска появления в среде обитания человека радиоактивно-
сти, связанной с применением космических ЯИЭ, будет порядка 5-10'9, что на уровне
пренебрежимого риска.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sven Grahn. The US-А program (Radar Ocean Reconnaissance Satellites - RORSAT) and radio observations
thereof, http://www.svengrahn.pp.se/trackind/trackin 1 .htm#Soviet.
2. Nazarenko A.I., Grinberg E.I. et al. Spacecraft with a nuclear power system and problem of space debris.
Proc. Forth European Conference jn Space Debris, ESOC, Darmstadt, Germany, April 2005 (ESA SP-587),
pp. 557-562.
3. Nazarenko A.I., Morozov N.P., Grinberg E.I. et al. Analysis of fragmentation situation in the neighborhood of
Russian satellites with nuclear power sources. Space Forum. Gordon and Breach Science Publishers, 1996,
v. l,No 1-4, pp. 125-134.
4. Grinberg E.I., Nikolaev V.S., Sokolov N.A. The analysis of consequences for some dangerous scenarios of
probable collisions between space debris and Russian nuclear power systems (RORSAT). In: Proc, of the
Third European Conference on Space Debris. ESOC, Darmstadt, Germany, March 2001 (ESA SP-473),
pp. 489-492.
5. Grinberg E.I., Grigoryev B.V., Nikolaev V.S., Sokolov N.A. Interaction of space debris with liquid metal
circuit of RORSAT satellites. In: Proc, of the Second European Conference on Space Debris. ESOC, Darm-
stadt, Germany, March 1997 (ESA SP-393), pp. 273-277.
6. Draft paper of Scientific and Technical Subcommittee about the work of its 41 session held in Vienna on
February 16-27, 2004. A/AC.105/C.l/L.276/Add. 1.
4
НАТУРНЫЕ
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
ГЛАВА 4.1
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
НА ОРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЯХ
Марков А.В., Чурило И.В.
РКК «Энергия» им. С.П. Королева
Список сокращений
КА космический аппарат
МКС Международная космическая станция
ОС орбитальная станция
ПКМ полимерные композиционные материалы
СВА собственная внешняя атмосфера
ТРП терморегулирующие покрытия
ФКП факторы космического пространства
ВВЕДЕНИЕ
Исследования стойкости материалов к воздействию факторов космического про-
странства (ФКП) велись с самого начала освоения космоса. Несмотря на накоплен-
ный в 1940-1950-х гг. опыт создания конструкционных материалов для атомного
проекта и баллистических ракет, работы над первыми искусственными спутниками
Земли потребовали новых системных данных о воздействии космической среды на
функционирование, состояние и ресурс работы космических аппаратов (КА). Необ-
ходимость проведения испытаний материалов непосредственно в космических усло-
виях вызвана, с одной стороны, отсутствием точных сведений о реальных условиях
эксплуатации КА, а с другой - сложностью их воспроизведения на Земле.
ГЛАВА 4.1
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ОРБИТАЛЬНЬ1ХСТАНЦИЯХ
1005
Создание любых КА - спутников, межпланетных зондов и станций, научных и
специализированных аппаратов, орбитальных станций (ОС) и космических кораб-
лей - невозможно без знания закономерностей изменения свойств материалов раз-
личного функционального назначения в условиях космического пространства. По
мере увеличения длительности полетов КА, особенно обитаемых орбитальных ком-
плексов (ОК), возрастает актуальность и важность проблемы обеспечения долго-
вечности конструкционных материалов в условиях космоса.
Данная проблема включает в себя три аспекта:
• изучение космической среды как условий эксплуатации КА;
• выявление наиболее критичных к воздействию ФКП элементов КА;
• оценку поведения в условиях космоса конкретных материалов, элементов кон-
струкций, оборудования и систем.
Таким образом, для оценки и прогнозирования поведения материалов в косми-
ческих условиях, а соответственно и КА в целом, необходимы данные о комплекс-
ном воздействии всех факторов в условиях реального орбитального полета.
В данной главе проводится краткий обзор наиболее значимых космических науч-
но-технических экспериментов, направленных на изучение воздействия ФКП на эле-
менты и узлы КА. Более подробно результаты некоторых из представленных экспе-
риментов излагаются в последующих главах.
4.1.1. История и основные подходы к проведению научно-технических
экспериментов
На начальном этапе отработки первых космических кораблей («Восток», «Вос-
ход», «Союз») были накоплены первичные знания об основных ФКП и их влия-
нии на КА и человеческий организм [1]. Можно констатировать, что уже при пер-
вых полетах кораблей-спутников были сформированы два прикладных направле-
ния целевого использования КА, которые впоследствии присутствовали на всех
станциях [2]:
• уточнение условий эксплуатации КА;
• изучение воздействия ФКП на конструкционные материалы и покрытия, со-
вершенствование методов и средств защиты.
Создание долговременных ОС явилось принципиально новым, этапным моментом
в истории освоения человеком космического пространства. Вывод на орбиту вначале
одномодульных станций серии «Салют», а затем и многомодульных орбитальных
комплексов - «Мир» и Международной космической станции (МКС), позволил обес-
печить условия для непрерывной и эффективной работы техники и людей на около-
земной орбите.
Несмотря на небольшой объем единичных научных экспериментов на первых ко-
раблях и станциях «Салют-1,3, 4, 5», в этих экспериментах были получены уникаль-
ные данные о космических излучениях, солнечных вспышках, составе и характерис-
тиках верхних слоев атмосферы.
Новое качество в проведении научно-технических экспериментов появилось с со-
вершенствованием конструкции модулей станций. Так, основные изменения в конст-
1006
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
рукции и системах станции «Салют-6» были предусмотрены с целью увеличения
продолжительности работы космонавтов и объема проводимых исследований и экс-
периментов. На агрегатном отсеке станции были установлены второй стыковочный
узел и новая объединенная двигательная установка с возможностью многократной
дозаправки в полете. Для обслуживания ОС на базе космического корабля «Союз»
был создан грузовой автоматический транспортный корабль «Прогресс», с помощью
которого на станцию доставлялись компоненты системы жизнеобеспечения, топливо,
расходуемые материалы, оборудование и приборы. Выходы в космос, благодаря на-
личию второго стыковочного узла, стали одним из важных элементов космической
деятельности для проведения экспериментальных работ, развертывания необходи-
мых элементов станции, ремонта и, что особенно важно, размещения и съема науч-
ной аппаратуры и панелей с образцами снаружи модулей, непосредственно в услови-
ях прямого воздействия ФКП [1].
Эти изменения позволили приступить к систематическим исследованиям воздей-
ствия ФКП на структуру и свойства конструкционных материалов, которые условно
можно разделить на три этапа. Первый этан начался на ОС «Салют-6» (29.09.1977-
29.07.1982). Основной задачей этих испытаний было определение стабильности теп-
ловых радиационных характеристик терморегулирующих покрытий (ТРП) и свойств
неметаллических конструкционных материалов в условиях околоземного космиче-
ского пространства за время длительного полета. Эксперименты проводились с по-
мощью съемных кассет ММК и калориметрических устройств «Эпсилон-2СБ». Мак-
симальное время экспозиции образцов в кассетах составило 686 суток.
Целями проведения экспериментов второго этапа на ОС «Салют-7» (19.04.1982-
07.02.1991) было уточнение методик и получение данных по оценке, прогнозирова-
Рис. 4.1.1. Размещение кассет с образцами на ОК «Мир»
ГЛАВА 4.1
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ
1007
нию работоспособности и долговечности при длительном воздействии ФКП на ма-
териалы вновь разрабатываемых элементов конструкций для будущего космиче-
ского комплекса «Мир». Максимальное время экспозиции материалов в съемных
кассетах составило 1501 сутки. В это же время были начаты эксперименты по от-
работке методик и аппаратуры для проведения динамических («активных») экспе-
риментов «Торсион» (1984) и «Электротопограф» (1983-1987) по изучению изме-
нения рабочих характеристик конструкционных материалов непосредственно в хо-
де эксперимента. В эксперименте «Торсион» проводилась отработка аппаратуры и
методики для контроля обратимых и необратимых изменений динамических вязко-
стно-упругих характеристик полимерных композиционных материалов (ПКМ) и их
полуфабрикатов (препрегов). Целью эксперимента «Электротопограф» [3] было
определение кинетики появления микродефектов в поверхностных и приповерхно-
стных слоях диэлектрических материалов (лакокрасочных покрытий, изолирующих
оксидов и т. п.).
Третий этап исследований начался в 1986 г. с запуска «Базового блока» ОК
«Мир». Изучение воздействия ФКП на конструкционные материалы и покрытия,
элементы и узлы оборудования в рамках экспериментов «Компласт», «ЭРЭ», «Плен-
ка», «Данко», «Данко-М», «Эталон», «Эпсилон» и др. продолжалось в течение все-
го периода эксплуатации ОК. Блоки аппаратуры с образцами были установлены на
внешней поверхности модулей «Квант», «Квант-2», «Спектр», «Природа» и «Базово-
го блока» (рис. 4.1.1). Кассеты СКК с образцами материалов размещались на ферме
«Софора» модуля «Квант» на удалении от его поверхности. На ОК «Мир» был про-
веден самый длительный динамический космический эксперимент «ЭРЭ» по изу-
чению изменения диэлектрических свойств конструкционных неметаллических
материалов, который продолжался более 10 лет.
При организации и реализации долгосрочных космических исследований от по-
становщиков экспериментов потребовалось не только создание необходимой аппара-
туры, но и выработка основных подходов и методик. С учетом уникальности и слож-
ности экспериментов была выработана методология их планирования и проведения,
включающая:
• отбор и подготовку материалов;
• выбор параметров структуры и свойств материалов, характеристик образцов,
наиболее чувствительных к воздействию ФКП;
• выбор методов контроля и оценки характеристик;
• разработку аппаратуры и методик проведения исследований и обработки ин-
формации;
• выбор способов, места, сроков экспозиции аппаратуры в летных условиях;
• организацию доставки, хранения, возвращения образцов на Землю и их иссле-
дования;
• организацию работ по уточнению условий проведения экспериментов (контро-
лю отдельных ФКП);
• разработку методик оценки и прогнозирования свойств и долговечности мате-
риалов по результатам летных и наземных ускоренных экспериментов для вы-
дачи научно обоснованных заключений и рекомендаций.
1008
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
4.1.2. Основные итоги экспериментов на орбитальных станциях «Салют-6»
и «Салют-7»
Результаты, полученные при проведении экспериментов на ОС «Салют-6», позво-
лили оценить возможности применения различных ПКМ для космической техники,
определить доминирующие воздействия ФКП на них и дать обоснованное заключе-
ние об их работоспособности в условиях длительного полета. В ходе экспериментов
удалось подтвердить правильность выбора для конструкции защитного кожуха ОС
стеклопластика ВПС-7 и стабильность тепловых радиационных характеристик ТРП,
что позволило увеличить длительность работы станций с планировавшихся двух до
пяти лет. Результаты послеполетных исследований изменений состава, структуры и
свойств большого количества образцов материалов различного назначения, экспони-
рованных на ОС «Салют-7» в условиях открытого космоса до 4,5 лет, имели огром-
ное значение с точки зрения получения данных об их работоспособности и долговеч-
ности применительно к проектированию новых элементов конструкций создаваемого
ОК «Мир». Эксперимент «Астра-1», проведенный в 1982-1986 гг. с помощью аппа-
ратуры «УМР-Астра», был первым этапом летных исследований собственной внеш-
ней атмосферы (СВА) комплекса. Полученные результаты имели важное значение
для создания расчетных моделей СВА.
Опыт, накопленный при организации и проведении летных экспериментов на
ОС «Салют-6» и «Салют-7», позволил выработать общую методологию, конкретизи-
ровать направления исследований, разработать методики и более совершенную, с
увеличенным сроком эксплуатации, аппаратуру для ОК «Мир».
4.1.3. Летные эксперименты на орбитальном комплексе «Мир»
Проведение длительных экспериментов на ОК «Мир» носило системный харак-
тер, учитывающий накопленный ранее опыт и созданный научно-технический задел.
Сложность и многофакторность проводимых исследований потребовали сформиро-
вать следующие направления:
• испытания материалов и покрытий (ТРП, полимерных, ПКМ, металлов и др.);
• изучение СВА;
• изучение потоков микрометеороидов и техногенных частиц;
• изучение радиационной обстановки;
• изучение поведения реальных (штатных) конструктивных элементов.
4.1.3.1. Испытания конструкционных и функциональных материалов
Разработка аппаратуры и методик для изучения изменений свойств и структуры
материалов под воздействием ФКП базировалась на проведении экспериментов двух
типов: пассивных и динамических. В ходе пассивных экспериментов образцы мате-
риалов, закрепленные в специальных съемных кассетах, экспонировались заданное
время в условиях реального орбитального полета. Для испытаний использовали базо-
вые и перспективные, с точки зрения применения в космической технике, отечест-
ГЛАВА 4.1
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ
1009
венные конструкционные и модельные материалы, а также их зарубежные аналоги.
После возвращения на Землю исследовались параметры материалов, наиболее чувст-
вительные к воздействию ФКП. К этим параметрам относятся: габаритно-весовые
характеристики, структура и свойства поверхности, деформационно-прочностные
свойства, структуро-чувствительные объемные свойства и др. Следует отметить, что
основные проблемы при организации и проведении пассивных экспериментов были
связаны с доставкой, установкой и возвращением образцов, а также с контролем ус-
ловий экспозиции.
Отличительной особенностью динамических экспериментов являлось то, что ин-
формацию об изменениях состава, структуры и свойств материалов получали с по-
мощью специально разработанной датчиковой аппаратуры непосредственно в про-
цессе проведения эксперимента по каналам телеметрии. Для контроля выбирались
такие параметры и методы их измерения, которые позволяли с помощью сравнитель-
но простых малогабаритных устройств получать максимально информативные дан-
ные. Например, для неметаллических материалов такими параметрами являются
показатели структуро-чувствительных свойств (механических и диэлектрических),
а также кинетические параметры процесса накопления поверхностных микроде-
фектов. Для обработки получаемой информации, оценки и прогнозирования
свойств и долговечности были разработаны соответствующие специальные мето-
дики и программы.
На ОК «Мир» по направлению исследования физико-механических, химических и
других свойств материалов (веществ, покрытий, сплавов, композитов и т. п.) и их
стойкости к воздействию ФКП было проведено 45 экспериментов. Ниже приведены
краткие сведения о наиболее значимых из них.
Пассивные эксперименты
Эксперимент «Коэффициент» (1995) по определению динамики изменения тер-
мооптических параметров (коэффициента поглощения солнечного излучения а5 и
степени черноты поверхности е) применяемых и перспективных ТРП различных
классов в условиях реального полета. Для измерения параметров образцов применя-
лось съемное калориметрическое устройство СКУ. Данные, полученные в ходе экс-
перимента, позволили оценить динамику изменений термооптических параметров
большого числа покрытий, рекомендуемых для применения в условиях длительной
эксплуатации. Удалось также выявить ряд нестойких покрытий, в основном лакокра-
сочных, и установить, что одной из наиболее вероятных причин повышенной дегра-
дации ТРП явилось общее загрязнение станции составляющими СВА.
Эксперимент «Кассета с образцами из КМ» (1993-1994) по оценке ресурса рабо-
ты конструкционных композиционных материалов, используемых в крупногабарит-
ных космических конструкциях, и исследованию влияния ФКП на характеристики
конструкций, изготовленных из таких материалов. Для проведения эксперимента на
ОК «Мир» были доставлены две панели с закрепленными плоскими и трубчатыми
образцами. Панели устанавливались на специальной ферме «Рапана» и экспонирова-
лись в течение 358 суток (рис. 4.1.2). В ходе испытаний трубчатых образцов было
установлено, что экспозиция в течение ~1 года приводит к повышению прочности
1010
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Рис. 4.1.2. Кассеты с образцами,
установленные на ферме «Рапана»
при сжатии на ~10%. А характер их разруше-
ния (потеря устойчивости наружных слоев)
позволил сделать вывод, что введение наруж-
ного кольцевого слоя повышает прочность на
30-40%. По результатам эксперимента полу-
чены значения несущей способности трубча-
тых рам, изготовленных из предварительно
формованных элементов.
Эксперимент «Эталон» (1990-2000) по
определению влияния ФКП на материалы и
покрытия в условиях открытого космоса и
разработке методов защиты этих материалов
для увеличения гарантийных сроков их экс-
плуатации. В эксперименте «Эталон» испыты-
вались образцы применяемых, перспективных, экспериментальных материалов и по-
крытий наружных поверхностей КА. Образцы материалов экспонировались в специ-
альных съемных кассетах СКК. В составе кассет прошли испытания силикатные и
лакокрасочные покрытия различных цветов, углеродсодержащие, зеркальные и анод-
ноокисные покрытия, а также композиционные материалы, элементы тросов и кабе-
лей, пленочные материалы, ткани, пленки различных модификаций (полиимидные,
фторопластовые и др.). В период 1990-2000 гг. на ОК «Мир» было установлено 10
кассет СКК на «Базовом блоке», модулях «Квант» и «Квант-2». Кассеты экспониро-
вались от 1 года до 4,5 лет. Всего в составе десяти кассет СКК прошли испытания
более 500 образцов материалов и покрытий. После возвращения кассет в лаборатор-
ных условиях проводились исследования экспонированных образцов и производи-
лось их сравнение с контрольными образцами, хранившимися в лабораторных усло-
виях. В ходе исследований изучались изменения параметров as и £, массы образцов,
спектральных коэффициентов отражения Rs и пропускания Ts, физико-механических
характеристик, химического состава поверхностного слоя образцов, их микрострук-
туры, а также были определены температуры образцов и корпуса кассет за время
экспозиции [4-6].
В ходе проведения пассивных экспериментов проводились также работы по изу-
чению воздействия внутриобъектовой среды на материалы и покрытия. В первую
очередь, это эксперимент «Биостойкость» (1987-2000) по определению характера
формирования микробных и грибных ассоциаций на неметаллических материалах в
условиях космического полета, исследованию микробиологической стойкости мате-
риалов и разработке средств и способов защиты материалов от повреждающего дей-
ствия микроорганизмов. В процессе многолетней эксплуатации ОК «Мир» проводи-
лись работы по контролю и исследованию текущего микробиологического состояния
конструкционных материалов в обитаемых отсеках. Всего в период проведения экс-
перимента было исследовано 514 проб, взятых с поверхностей декоративно-
отделочных и конструкционных материалов. В рамках этого эксперимента было под-
тверждено, что использование бортовых технологий подавления грибного компонен-
та является обязательным для обеспечения экологической безопасности и техниче-
ской надежности долговременных космических объектов.
ГЛАВА 4.1
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ
1011
Динамические эксперименты
Эксперимент «Прочность» (1999-2000) по изучению влияния длительной экс-
плуатации на функциональные свойства материалов силовых элементов, прогнозиро-
ванию остаточного ресурса металлических материалов корпуса ОК «Мир» и отработ-
ке методов диагностики технического состояния материалов силового корпуса моду-
лей ОС. В ходе эксперимента проводились замеры электропроводности, твердости
каждого доступного материала гермокорпуса, устанавливалась динамика их измене-
ния во времени. Результаты замеров на станции сопоставлялись с данными, получен-
ными на контрольных образцах на Земле. Данный эксперимент доказал возможность
использования методики неразрушающего контроля для диагностики технического
состояния материала силовых узлов и конструкций модулей ОС непосредственно в
полете.
Эксперимент «ЭРЭ» (1989-2000) по изучению воздействия ФКП на диэлектриче-
ские характеристики полимерных и композиционных материалов и определению
пределов стойкости таких материалов. Для проведения эксперимента была разрабо-
тана аппаратура и датчики контроля электрической емкости, активной проводимости,
тангенса угла диэлектрических потерь непосредственно в процессе экспозиции, так
как диэлектрические свойства являются наиболее чувствительными к происходящим
в полимерах химическим и физическим превращениям. В эксперименте исследова-
лись 16 образцов двух типов эпоксидных связующих, различающихся отвердителя-
ми, и четырех типов композиционных материалов, различающихся природой и фор-
мой наполнителя (углеродная лента, углеродная ткань, стеклоткань и органическая
ткань). Разработанная для эксперимента «ЭРЭ» методика проведения длительного
динамического космического эксперимента позволила с большей достоверностью
судить о характере и кинетике изменений структуры и свойств ПКМ. В ходе прове-
дения эксперимента были установлены основные закономерности изменения диэлек-
трических свойств испытываемых материалов [7-10].
Эксперимент «Эпсилон» (I этап: 1986-1992; II этап: 1997-2000) по определению
динамики изменения термооптических характеристик ТРП класса «солнечные отра-
жатели» в условиях полета. Эксперимент проводился с помощью калориметрическо-
го устройства «Эпсилон-ЗГЗ». Испытывались образцы силикатного (ТР-СО-11) по-
крытия и пленочного (ОСО Ф4МБС) на основе фторопластовой пленки с внутренним
напылением серебра, а также образца - модели абсолютно черного тела. Проведение
эксперимента позволило исследовать динамику изменений термооптических харак-
теристик покрытий в зоне установки «Эпсилон-ЗГЗ» на борту модуля «Квант-2» за
весь период полета. Обнаруженное неравномерное изменение коэффициентов а5 и е
было обусловлено загрязнением поверхности станции продуктами сгорания двига-
тельных установок, компонентами газовыделения и сублимации неметаллических
материалов.
Эксперимент «Панорама» (I этап: 1990-1992; II этап: 2000) по оценке с помощью
видео и фоторегистрации состояния материалов и покрытий наружных поверхностей
ОК «Мир» в процессе эксплуатации. В ходе эксперимента фиксировались зоны мак-
симальной деградации и загрязнения поверхности. По результатам эксперимента бы-
ло подтверждено хорошее состояние основных материалов внешних поверхностей,
1012
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
ТРП на радиаторах-холодильниках системы терморегулирования «Базового блока» и
модуля «Квант-2», экранно-вакуумной теплоизоляции и зафиксировано расположе-
ние зон загрязнений внешних поверхностей данных модулей. Для отдельных случаев
были установлены источники загрязнений. На основании полученных данных опре-
делялось состояние применяемых покрытий, составлялся прогноз по основным пара-
метрам на длительные сроки и давались заключения и рекомендации по их примене-
нию.
Следует отметить, что на ОК «Мир» также проводились международные экспе-
рименты по изучению воздействия ФКП на конструкционные материалы. В рамках
проекта «Арагац» проводился французский эксперимент «Образцы» в период с де-
кабря 1988 по январь 1990 гг. Кассеты с образцами различных ТРП, пленочных и
конструкционных неметаллических материалов были установлены на конической
части «Базового блока». По программе «ЕВРОМИР-95» в период с сентября 1995 по
март 1996 гг. проводился эксперимент «1СА» (Instrument Comrade Active) в интересах
Европейского космического агентства. В 1996-1997 гг. на ОК «Мир» в рамках проек-
та «МЕЕР» (Mir Environment Effects Payload) в течение 18 месяцев экспонировались
кассеты с образцами материалов, предоставленными NASA. В 1998-2000 гг. россий-
ские и американские специалисты провели систематические исследования снятого с
ОК «Мир» и возвращенного на Землю сегмента солнечной батареи, состоящего из 8
складывающихся панелей и проработавшего на околоземной орбите около 10 лет
(Mir Solar Array Return Experiment, в российской программе эксперимент имел назва-
ние «Фрагмент»).
4.1.З.2. Исследование собственной внешней атмосферы
Воздействие СВА на материалы, покрытия и размещенное на внешней поверхно-
сти КА оборудование в значительной степени определяет надежность и эффектив-
ность функционирования КА. Исследования СВА КА были начаты уже на первых
спутниках, однако эти исследования носили несистематический характер и проводи-
лись в относительно небольшом объеме. По мере возрастания длительности эксплуа-
тации ОС, усложнения их конфигурации, а также расширения научных и прикладных
задач, решаемых в условиях полета, актуальность изучения СВА возрастала. Иссле-
дования СВА, динамики и условий ее формирования также проводились в течение
всего периода эксплуатации ОК «Мир». По данному направлению было проведено 15
экспериментов, сведения о наиболее важных из которых приведены ниже.
Эксперимент «Индикатор» по мониторингу состояния СВА [11, 12]. В ходе экс-
перимента проводились измерения давления СВА, набегающего потока и концентра-
ции частиц ионной составляющей. Комплексный эксперимент «Индикатор» состоял
из трех автономных экспериментов:
• «Диаграмма» (1989-1992) - по определению основных тенденций формирова-
ния СВА, ее распределения в зоне «Базового блока» и составлению базы дан-
ных по состоянию СВА в зависимости от условий полета;
• «Индикатор» (1993-2000) - по определению параметров СВА в зависимости
от условий полета модуля «Квант»;
ГЛАВА 4.1
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ
1013
• «Индикатор-И» (1996-2000) - по определению параметров СВА в зависимости
от условий полета модуля «Природа».
Основные результаты эксперимента «Индикатор»:
• определены диапазоны изменения плотности СВА ОК в зависимости от усло-
вий его эксплуатации;
• подтверждена тенденция стабилизации плотности СВА при отсутствии возму-
щений, связанных с функционированием ОК;
• подтверждена тенденция повышения плотности СВА при включении двига-
тельных установок ОК.
Эксперимент «Астра-2» (1995-1999) по получению данных о давлении и хими-
ческом составе газовых компонент СВА ОК и струй двигательных установок, а также
о содержании в СВА жидких и твердых частиц. В состав научной аппаратуры «Аст-
ра-2» входили два манометра ПМИ-45, три магниторазрядных датчика давления
ДВЛС, два масс-спектрометра ИВА-IM и кварцевые микровесы КМВ. Расположение
аппаратуры на ОК «Мир» показано на рис. 4.1.3.
Рис. 4.1.3. Аппаратура «Астра-2» на ОК «Мир»
Основные результаты эксперимента [13]:
• получены новые данные по динамике изменения давления и составу загряз-
няющих веществ СВА;
• по характеру изменения толщины осевшей пленки на чувствительном элементе
КМВ установлена тенденция медленного накопления загрязнений на внешних
поверхностях;
• определено, что основными нейтральными составляющими СВА (в зоне распо-
ложения аппаратуры) оказались компоненты с М= 28 и 18 (молекулярный азот,
окись углерода и вода), концентрация которых составляла (0,5-5)-109 см"3, и в
заметном количестве - газовые компоненты с М= 120-122, которые являются
гомологами бензола или нитратом диметилгидразина.
Эксперимент «Релаксация» по исследованию процессов в верхней атмосфере
Земли при ее взаимодействии с выхлопами реактивных двигателей и наблюдению
искусственных и естественных оптических явлений (вход в атмосферу КА, транс-
портных кораблей и их фрагментов, озонные аномалии, полярные сияния и т. п.).
Данные исследования проводились путем регистрации изображений и спектров в
1014
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
УФ-диапазоне. В результате эксперимента получены высококонтрастные изображе-
ния плазменных образований при входе различных тел в атмосферу и снимки верх-
ней атмосферы Земли как на освещенных, так и на теневых участках орбиты.
Данные эксперимента используются для получения сведений о динамике измене-
ния и параметрах релаксации возбужденных молекул NO и СО в высоком вакууме,
для получения спектров излучений струй двигателей в различных сечениях, а также
пополнения банка данных по оптическим явлениям в УФ-диапазоне, связанных с ес-
тественными процессами в атмосфере и при сгорании в ней твердых частиц и тел.
4.1.З.З. Изучение потоков микрометеороидов и техногенных частиц
На борту ОК «Мир» проводились исследования метеороидной и техногенной об-
становки на орбите станции с целью изучения влияния ударов высокоскоростных
частиц на элементы внешней поверхности и отработки средств метеорной защиты.
По этому направлению было проведено 10 экспериментов. Наиболее значимый из
них - «СММК».
Эксперимент «СММК» (Система метеоритного контроля, 1986-2000) по уточне-
нию модели пространственно-временного распределения метеороидного и техноген-
ного вещества путем постоянного мониторинга окружающего космического про-
странства на орбите. В состав аппаратуры входили блок электроники ММК-2 и два
конденсаторных датчика - стационарный площадью 0,51 м2 и съемный площадью
0,04 м2. Чувствительная поверхность конденсаторных датчиков позволяла регистри-
ровать удары метеороидных и техногенных частиц мелких фракций с размерами от
15-20 до 100 мкм. В ходе проведения эксперимента установлено, что существенного
увеличения в зоне интегрального потока микрометеороидов в разные годы не обна-
ружено. Анализ полученных данных позволил уточнить модели потоков метеороидов
и техногенных частиц.
4.1.З.4. Изучение радиационной обстановки
По направлению исследования радиационной обстановки на орбите станции,
влияния космических излучений на работу бортовых систем, научной аппаратуры и
экипажей, отработке средств радиационной защиты было проведено порядка 25 экс-
периментов, в числе которых отметим эксперименты «Рябина-2» и «СПРУТ-VI».
Эксперимент «Рябина-2» (1997-2000) по регистрации нейтронов, заряженных
частиц и гамма-излучения в околоземном космическом пространстве. В состав аппа-
ратуры входили модуль нейтронных детекторов, размещенный на внешней поверх-
ности станции, и блоки регистрации заряженных частиц и гамма-квантов, размещен-
ные во внутреннем отсеке. В ходе проведения эксперимента «Рябина-2» [14, 15] ис-
следованы пространственные и временные распределения потоков нейтронов в
околоземном космическом пространстве в различных фазах солнечного цикла, изме-
рены потоки нейтронов альбедо и вторичных (локальных) нейтронов, образованных в
материалах конструкции станции. Изучена динамика пространственного положения
внутреннего радиационного пояса Земли (Южно-Атлантической магнитной анома-
лии). Показано, что вклад в дозу от нейтронов обусловлен в основном вторичными
нейтронами, генерируемыми в материалах станции.
ГЛАВА 4.1
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ
1015
Эксперимент «СПРУТ-VI» (1999-2000) по исследованию вариаций различных
физических параметров космической среды, связанных с геомагнитной обстановкой
и активностью Солнца, уточнению условий эксплуатации ОС. Составные части аппа-
ратуры, включающей волновой блок, блок регистрации частиц, дозиметрический
блок, блок экспонирования материалов и магнитометр, размещались на внешней по-
верхности модуля «Квант-2» и внутри гермоотсека.
Основными результатами эксперимента «СПРУТ-VI» [16, 17] являются данные
для уточнения модели распределения потоков электронов и протонов на высотах
300-500 км, данные радиационной обстановки внутри и снаружи ОК, а также данные
по электромагнитной обстановке в окрестности ОК в широком частотном диапазоне.
4.1.З.5. Исследование поведения реальных конструкций
На ОК «Мир» был проведен уникальный в своем роде эксперимент «Фрагмент»
по возвращению на Землю солнечной батареи, отработавшей в условиях открытого
космоса 10,5 лет. До этого мировая практика насчитывала только два случая возвра-
щения батарей с орбиты: в 1985 г. - с ОС «Салют-7» после экспозиции в течение 3 лет
и с КА HST (Европейское космическое агентство) после 4-летней экспозиции.
Целью эксперимента «Фрагмент» являлось исследование деградации 8 панелей
солнечной батареи для количественной оценки роли различных факторов, действо-
вавших в процессе полета, в изменении электрических характеристик батареи и
свойств ее материалов и покрытий [18].
В ходе исследований возвращенных створок солнечной батареи были получены
следующие результаты:
• непосредственно измеренные вольт-амперные характеристики (ВАХ) панелей
позволили оценить деградацию мощности (54% за 10,5 лет эксплуатации);
• измерения электрических параметров показали, что деградация тока и мощно-
сти крайне неравномерна как по створкам панели, так и в пределах самих ство-
рок;
• основной причиной, определившей повышенную интегральную деградацию
мощности, является воздействие частичного затенения поверхности элемента-
ми системы раскрытия;
• выполнена предварительная оценка деградации по трем основным видам по-
терь: радиационным (по напряжению холостого хода 1% и максимальной мощ-
ности 3%), оптическим (4-8,5%) и термоциклическим (4%);
• при исследовании фотоэлектрических преобразователей с характерными крате-
рами от ударов высокоскоростных частиц обнаружен эффект униполярного
шунтирования р-п перехода;
• обнаружены многочисленные следы повреждений ударами твердых частиц: от
эрозии защитного стекла до сквозных пробоев всей сборки, вызывающих рас-
трескивание лицевого и тыльного защитных стекол;
• исследование материалов, используемых в конструкции панели, показало их
удовлетворительное состояние.
Анализ полученных данных позволил выработать рекомендации по совершенст-
вованию конструкционных материалов и покрытий солнечных батарей и улучшению
их эксплуатационных характеристик.
1016
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведение и совершенствование экспериментов на борту ОС по исследованию
ФКП и их воздействия на материалы, уточнению условий эксплуатации КА прохо-
дило в соответствии с основными этапами развития отечественной ракетно-кос-
мической техники.
Наиболее важным показателем эффективности решения проблемы воздействия
ФКП на материалы и элементы бортового оборудования является длительность поле-
та пилотируемого КА. Можно выделить три исторических этапа, качественно отли-
чающихся между собой по данному показателю:
• одиночные и групповые полеты пилотируемых космических кораблей в период
1961-1970 гг. длительностью до 18 суток - это был этап накопления знаний об
окружающем пространстве и разработки технологий проведения эксперимен-
тов в процессе пилотируемого полета;
• создание одномодульных ОС серии «Салют» в период 1971-1985 гг. с достиг-
нутой длительностью управляемого полета до 5 лет - этот этап характеризуется
расширением спектра экспериментов, формированием направлений техниче-
ских экспериментов и дальнейшим совершенствованием технологий проведе-
ния исследований;
• строительство и эксплуатация многомодульных долговременных станций
«Мир» и МКС, начиная с 1986 г., с подтвержденной длительностью полета не
менее 15 лет - это этап проведения комплексных космических экспериментов и
перехода к постоянному пилотируемому режиму полета ОС.
В ходе проведения научно-технических экспериментов на ОК «Мир», в которых
участвовали многие научные и производственные организации, получен огромный
экспериментальный материал по воздействию ФКП на функциональные характери-
стики материалов, элементов и узлов, уточнены условия их эксплуатации. Данные об
изменении структуры и свойств конструкционных материалов в сочетании с резуль-
татами целенаправленных летных и имитационных исследований позволили полу-
чить достоверную информацию о длительной работоспособности материалов в ре-
альных условиях эксплуатации. В результате этих исследований были разработаны и
внедрены математические методы прогнозирования стойкости материалов и покры-
тий к воздействию ФКП и создана база данных для выбора материалов и покрытий
для конкретных условий полета.
Реализация программы работ на ОК «Мир» позволила России накопить уникаль-
ный опыт и создать научно-технический задел для дальнейших работ по пилотируе-
мым программам освоения космического пространства на Российском сегменте МКС
[19] и реализации развиваемых в последние годы программ исследования Луны,
Марса, разработки их ресурсов, отработки новых технологий сборки больших ме-
жорбитальных КА и межпланетных экспедиционных комплексов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева. 1946-1996. Под ред. Семенова Ю.П.
М.: Менонсовполиграф, 1996, 670 с.
2. Марков А.В., Сорокин И.В. Наследие С.П. Королева и современные проблемы целевого использова-
ния пилотируемых космических комплексов. Полет, 2007, № 1, с. 24-33.
ГЛАВА 4.1
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ
1017
3. Startsev O.V., Nikishin E.F. Structure and properties of polymeric composite materials during 1501 days
outer space exposure at «Salute-7» Orbital Station. Proc, of the Third LDEF Symposium, Williamsburg, Wir-
ginia, November 8-12, 1993.
4. Naumov S.F., Gorodetsky A.A., Demidov S.A., Karasyev A.V. Research of thermal control coating optical
characteristics during long-term near Earth orbital flight. Sixth International Symposium on Materials in a
Space Envirinment, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 19-23 September 1994.
5. Naumov S.F., Gorodetsky A.A., Sokolova S.P., Demidov S.A., Kurilenok A.O., Gerasimova T.l. A study of
materials and coatings for external surfaces on board space station MIR. 5th International Conference on
«Protection of Materials and structures from the LEO Space Environment». 8th International Symposium on
«Materials in a Space Environment», Aecachon - France, 5-9 June 2000.
6. Skurat V.E., Beriozkina N.G., Leipunsky 1.О., Pshechenkov P.A., Tantsyrev G.D., Toropov V.P., Volkov V.,
Nesmeyanov A.N., Demidov S.A., Naumov S.F., Sokolova S.P. The study of surface contamination of the
space station MIR. 5th International Conference on «Protection of Materials and structures from the LEO
Space Environment». 8th International Symposium on «Materials in a Space Environment», Aecachon -
France, 5-9 June 2000.
7. Babayevsky P.G., Kozlov A., Slagoda V.V., Tchurilo I.V., Nikitsky V.P. Dielectric properties - temperature
monitoring of cuced epoxy polymers and composites during 6-years outer space exposure. Proceedings of 7th
International Symposium on «Materials in Space Environment», Toulouse, France, 1997, pp. 345-356.
8. Chalykh A.E., Nikiforov A.P., Seurat V.E., Babayevsky P.G., Marcov A.V. About mechanism of surface
roughness development film during anisotropic etching by fast atomic oxygen. Proceeding of 7th International
Symposium on «Materials in Space Environment», Toulouse, France, 1997, pp. 422-426.
9. Babayevsky P.G., Kozlov N.A., Slagoda V.V., Tchurilo I.V. Aging monitoring of polymeric materials in
space environment. Second International Aerospace Congress, Abstracts, Moscow, Russia, 1997, p. 226.
10. Babayevsky P.G., Kozlov N.A., Tchurilo I.V., Slagoda V.V. Results of long duration studies of polymeric
composite materials overboard the «Mir» space station by a dielectrical technique. 22th Tsyolkovsky Confer-
ence, Kaluga, 1997, pp. 156-157.
11. Незнамова Л.О., Никитский В.П., Годной B.H., Гужва Е.Г. Результаты исследования собственной воз-
душной атмосферы (СВА) в окрестностях орбитального комплекса «Мир». Труды X Всесоюзной кон-
ференции «Динамика разреженных газов». М., 1990, с. 35-37.
12. Neznamova L.O., Nikitskii V.P., Svechkin B.N. Spacecraft proper atmospheric environment, as one of the
space factors affecting the systems operation life and reliability. Seventh International Symposium on Materi-
als in a Space Environment, Toulouse, France, 1997, 16-20 June, pp. 75-77.
13. Душин В.К., Крылов А.Н., Мишина Л.В., Голубев Е.П., Белоцерковский М.Б., Пылев В.П. Некоторые
экспериментальные результаты измерений параметров собственной внешней атмосферы ОС «Мир» в
эксперименте «Астра-2». Космонавтика и ракетостроение, 1999, № 17, с. 142-158.
14. Братолюбова-Цулукидзе А.С., Гордеев Ю.П., Лягушин В.И. и др. Аппаратура и предварительные ре-
зультаты мониторинга проникающей радиации на орбитальном комплексе «Мир». Космич. исслед.,
№3, 1991, с. 487-490.
15. Lyagushin V.I., Dudkin V.E. etal. Russian measurements ofNeuton energy spectra on the MIR orbital sta-
tion. Radiation Meas., 2001, v. 33, No 3, pp. 313-319.
16. Григорян O.P., Климов С.И., Клос 3., Корепанов В.У., Родин В.Г., Рябуха С.Б., Пулинец С.А., Чурило И.В.
Прибор для экологического мониторинга на ОК «Мир». Инженерная экология, 1997, № 2, с. 44-52.
17. Grigoryan О., Klimov S., Nikitsky V., Pulinets S., Ryabucha S., Tchurilo I. Complex space experiment
«SPRUT». 32nd Scientific Assembly of COSPAR, Japan, 12-19 July 1998, p. 494.
18. Letin V.A., Teslenko V.V., Tchurilo I.V., Babayevsky P.G., Atabaev B.G. Comparative analysis of solar array
fragments degradation at different structure scales during and after long term exposure overboard the
«MIR» space station. 8th International Symposium on «Materials in a Space Environment», Aecachon -
France, 5-9 June 2000.
19. Sorokin I.V., Markov A.V. Status and problems of space station utilization. Final papers of 57th International
Astronaution Congress, October 2-6, 2006, Valencia, Spain. IAC-06-B4.3.05. http://www.iac2006.org.
ГЛАВА 4.2
ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ
ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Наумов С.Ф., Борисов В.А., Городецкий А.А., Соколова С.П.,
Герасимова Т.И., Куриленок А.О.
РКК «Энергия» им. С.П. Королева
Список сокращений
КА космический аппарат
НИ натурное испытание
ОС орбитальная станция
ТРП терморегулирующее покрытие
ФКП факторы космического пространства
ВВЕДЕНИЕ
Проблема стабильности в условиях космического пространства эксплуатацион-
ных характеристик материалов наружных поверхностей космических аппаратов
(КА) имеет большое значение для разработок КА со сроками эксплуатации до 20
лет и более. Без изучения влияния факторов космического пространства (ФКП) на
свойства оптических и терморегулирующих покрытий (ТРП), пленочных и компо-
зиционных материалов, тканей специального назначения и других материалов в
условиях длительной эксплуатации невозможно создание спутников, межпланет-
ных зондов, орбитальных станций (ОС) с длительными сроками активного суще-
ствования.
ГЛАВА 4.2 ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА
1019
Особенностью космического пространства является комплексный одновременный
характер воздействия нескольких факторов. Это обстоятельство определяет трудно-
сти моделирования космических условий в наземных лабораторных имитаторах, в
которых практически невозможно воспроизвести полный спектр ФКП, а раздельное
или одновременное действие двух или более ФКП неадекватно поочередному или
ускоренному воздействию на материалы.
Поэтому натурные испытания (НИ) материалов непосредственно в космосе игра-
ют важную роль в исследовании их свойств, разработке стойких к воздействию ФКП
материалов и средств их защиты, а также корректировке условий наземного модели-
рования. Несмотря на положительные результаты, достигнутые в области создания
экспериментальной базы для моделирования воздействия ФКП на материалы, и ус-
пехи в развитии физических теорий прогнозирования и создания математических
моделей повреждений, окончательные выводы о стабильности свойств материалов и
покрытий при длительных сроках эксплуатации можно сделать только на основе ре-
зультатов летных испытаний на космических изделиях.
На внешней поверхности орбитальных космических станций «Салют» и «Мир», а
также на Российском сегменте (PC) Международной космической станции (МКС)
использована аппаратура, предназначенная для изучения термооптических, массо-
вых, микроструктурных и других физико-химических характеристик материалов и
покрытий: съемные кассеты-контейнеры типов ФМ-110, ФМ-111 и СКК, калоримет-
рические устройства типа «Эпсилон» [1,2].
4.2.1. Эксперименты с помощью съемных кассет-контейнеров
4.2.1.1. Методика и содержание исследований
Эксперименты с помощью съемных кассет-контейнеров СКК проводились на
ОС «Салют-6, 7» и «Мир» и проводятся в настоящее время на PC МКС в режиме пас-
сивного экспонирования материалов, при котором не требуется электропотребления
[3,4]. С 1990 по 2000 гг. на внешней поверхности ОС «Мир» было установлено, а
затем возвращено на Землю 10 кассет СКК со сроками экспонирования от 309 до
1638 суток, при этом было испытано около 600 различных образцов материалов.
Кассета-контейнер СКК представляет собой двустворчатую конструкцию типа
«портсигар» и состоит из корпуса, крышки и двух подкассетников с образцами ис-
следуемых материалов и покрытий (рис. 4.2.1).
При экспонировании кассета находится в рас-
крытом виде. Створки кассеты могут раскры-
ваться и фиксироваться между собой под угла-
ми 90° и 180°. Ориентация рабочей плоскости
СКК осуществляется посредством шарнирного
механизма кассеты.
Образцы, установленные в подкассетниках
на лицевой стороне кассеты, имеют стандарт-
ный размер 30x30 мм или размер, кратный
30 мм. Образцы, установленные в иллюмина-
Рис. 4.2.1. Общий вид кассеты СКК
1020
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Рис. 4.2.2. Кассеты СКК на
модуле «Квант-1» ОС «Мир»
Рис. 4.2.3. Места установки кассет
СКК на PC МКС
торах на тыльной стороне кассеты, имеют диаметр экспонируемой зоны 45 мм. Мак-
симальное количество стандартных образцов: в под кассетниках - 70, в иллюминато-
рах - 20. Масса каждой кассеты СКК около 2 кг.
Съемная кассета-контейнер СКК доставляется на борт ОС в составе корабля
«Прогресс», устанавливается снаружи станции во время выхода космонавтов в от-
крытый космос и экспонируется в течение заданного периода времени, после чего
она демонтируется и возвращается на Землю для проведения исследований. При
транспортировке кассеты на борт ОС и при возврате на Землю кассета закрывается и
помещается в специальную упаковку во избежание повреждения образцов.
На ОС «Мир» кассеты СКК размещались на Базовом блоке, модулях «Квант-1» и
«Квант-2», на PC МКС - на Служебном модуле (СМ) и Стыковочном отсеке (СО1),
(модуль «Пирс»). Один из вариантов размещения кассет СКК на ОС «Мир» показан
на рис. 4.2.2. Схема расположения кассет СКК на наружной поверхности PC МКС
представлена на рис. 4.2.3: 1 - на цилиндрической части Стыковочного отсека СО1;
2 - на кожухе Агрегатного отсека Служебного модуля; 3 - на торце Агрегатного от-
сека. На рис. 4.2.4 приведены сделанные космонавтами фотографии кассет СКК на
поверхности PC МКС. Перечень и длительность экспонирования съемных кассет в
составе ОС «Салют», «Мир» и PC МКС представлены в табл. 4.2.1.
С помощью кассет СКК проведены НИ широкого круга материалов различных
классов и составов [5-9]. В кассетах СКК экспонировались образцы практически
Рис. 4.2.4. Кассета СКК на модулях PC МКС: а - модуль «Звезда»; б - модуль «Пирс»
ГЛАВА 4.2 ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА
1021
Таблица 4.2.1
Перечень съемных кассет, прошедших испытания в составе ОС
Название и номер Дата установки Дата демонтажа Экспозиция, сутки Количество образцов Место установки
ФМ-110, № 11 20.09.1977 29.07.1978 312 32 Салют-6
ФМ-110, № 15 03.11.1983 25.07.1984 270 32 Салют-7
ФМ-110, № 16 19.04.1982 30.07.1982 100 32 Салют-7
ФМ-110, № 17 25.07.1984 28.05.1986 672 32 Салют-7
Исток-М 03.11.1983 23.04.1984 172 32 Салют-7
ФМ-110, № 19 16.06.1987 26.02.1988 255 32 Мир, Базовый блок
ФМ-110, №20 16.06.1987 26.02.1988 255 32 Мир, Базовый блок
ФМ-110, №21 26.02.1988 11.01.1990 685 32 Мир, Базовый блок
ФМ-110, №22 26.02.1988 11.01.1990 685 32 Мир, Базовый блок
CKK-1 11.01.1990 24.04.1991 470 46 Мир, Базовый блок
CKK-2 26.01.1990 21.02.1992 756 44 Мир, Квант-2
скк-з 11.01.1990 29.10.1993 1387 78 Мир, Базовый блок
CKK-4 23.01.1991 19.07.1995 1638 63 Мир, Квант-2
CKK-5 21.02.1992 19.07.1995 1245 50 Мир, Квант-2
CKK-6 03.11.1997 11.11.1997 374 53 Мир, Квант-2
СКК-9 21.09.1993 13.06.1996 997 55 Мир, Квант-2
СКК-10 21.09.1993 13.06.1996 997 55 Мир, Квант-2
СКК-11 06.06.1996 03.11.1997 516 39 Мир, Квант-2
СКК-12 13.09.1994 19.07.1995 309 37 Мир, Квант-2
Страховка 21.09.1993 19.07.1995 666 23 Мир, Квант-2
СКК№ 1-СМ 25.01.2002 27.02.2004 756 84 МКС, СМ
СКК № 2-СМ 25.01.2002 03.09.2004 958 84 МКС, СМ
СКК № 3-СМ 27.02.2004 19.08.2005 539 84 МКС, СМ
СКК № 4-СМ 03.09.2004 в полете 84 МКС, СМ
СКК № 5-СМ 19.08.2005 в полете 60 МКС, СМ
СКК№ 1-СО 25.01.2002 27.02.2004 756 72 МКС, СО1
СКК № 2-СО 27.02.2004 в полете 81 МКС, СО1
всех материалов и покрытий, применявшихся и разработанных для изделий космиче-
ской отрасли: терморегулирующие силикатные, лакокрасочные и анодно-окисные
покрытия классов «солнечные отражатели», «солнечные поглотители», «истинные
отражатели» и «истинные поглотители», ткани оптического назначения, полимерные
пленочные материалы, материалы экранно-вакуумной теплоизоляции, композицион-
ные стеклопластики и углепластики, различные защитные покрытия и другие мате-
риалы. Перечень испытанных материалов и покрытий приведен в табл. 4.2.2.
1022
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Таблица 4.2.2
Перечень основных материалов и покрытий, прошедших натурные испытания
на ОС «Мир» и PC МКС
№ п/п Материал, покрытие Время экспозиции, сутки
1 ТР-СО-2 374,470, 516, 539, 756,958, 1638
2 ТР-СО-4 1638
3 ТР-СО-5 374
4 ТР-СО-ЮМ 374, 756, 997, 1245, 1638
5 ТР-СО-11 470, 756, 997, 1245, 1638
6 ТР-СО-12,12М 309,470, 756, 997, 1245, 1638
7 ТР-СО-90 374, 997, 1245, 1638
8 ТР-СО-2Л-202 470, 756
9 ТР-СО-ЦНИИБ 756, 1638
10 ТР-СО-ПО 539, 756, 958
11 Покрытие ZrO2 + калиевое жидкое стекло 756
12 Покрытие ZrO2 + А12О3 + калиевое жидкое стекло 756
13 Эмаль КО-5191 белая 309,470, 539, 756, 958,997
14 Эмаль КО-5258 белая 374,470,516
15 Эмаль КО-811К белая 539, 756,958
16 Эмаль ЭП-140 белая 374,516, 539, 756, 958
17 Эмаль АК-512 белая 374, 470, 539, 756,958
18 Эмаль АК-573 белая 374, 539, 756, 958
19 Эмаль АС-599 белая 997
20 Эмаль ЭКОМ-1 белая 539, 756,958
21 Эмаль 40-1-28-83М белая 756
22 Эмаль ХВ-16 белая 997
23 Эмаль ЭП-140 черная 756,958
24 Эмаль ЭП-51 черная 756, 958
25 Эмаль ЭП-572 черная 756
26 Эмаль ЭКОМ-2 черная 539, 756, 958
27 Эмаль КО-811К черная 539, 756, 958
28 Эмаль АК-512 черная 539, 756,958
29 Эмаль АК-243 черная 470, 756,997, 1638
30 Эмаль ФП-5246 черная 470, 756,997, 1638
31 Эмаль ЧФ-1 черная 1245,1638
32 Эмаль ЧФ-2 черная 1638
33 Эмаль 1-331-91 черная 756, 958, 997
34 Силикатное покрытие ТР-ип-3 черное 539, 756, 958
35 Покрытие ТОВ черное 756, 1245, 1638
36 Покрытие ТО-12 черное 756,1638
37 Эмаль ЭП-51 красная 756, 958
38 Эмаль КО-811К красная 539, 756,958
39 Эмаль КО-811К синяя 539, 756
40 Эмаль АК-512 зеленая 470
41 Эмаль ЭП-525 т/зеленая 1245
42 Эмаль ЭП-140 т/зеленая 1245
43 Эмаль ЭП-140 серая 756
44 Эмаль ХС-928 516
45 Эмаль ХС-973 серая 997
46 Эмаль ЭКОМ-4 сереб.-серая 539, 756,958
47 Эмаль КО-859 серебряная 539, 756, 958,997
48 Эмаль ВЭ-30 алюминиевая 539, 756, 958,997
ГЛАВА 4.2 ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА
1023
Продолжение табл. 4.2.2
№ п/п Материал, покрытие Время экспозиции, сутки
49 Покрытие ПН-316Т на сплаве НбЦУ 309
50 Покрытие «Альхок» на сплаве НбЦУ 309
51 «Альхок» на А1 фольге 309
52 АМгб, покрытие анодно-окисное покрытие калиевое жидкое стекло, электрохимически окрашенное в черный цвет, с наполнением в связке 65 470, 756
53 АМгб, покрытие анодно-окисное кратковременное с наполнением в связке 65 470, 756
54 АМгб, покрытие анодно-окисное, электрохимически окрашенное в черный цвет, с наполнением в бихромате калия 374,516, 1245
55 АМгб, покрытие анодно-окисное, химически окрашенное в черный цвет, с наполнением в воде 997
56 АМгб, покрытие анодно-окисное, химически окрашенное в черный цвет, с наполнением в бихромате калия) 539, 756, 958
57 АМгб, покрытие анодно-окисное, электрохимически окрашенное в черный цвет, с наполнением в воде 374,997
58 АМгб, покрытие анодно-окисное с наполнением в бихромате калия 756, 958
59 Д16, покрытие анодно-окисное с наполнением в бихромате калия 539, 756, 958
60 АД 1, покрытие анодно-окисное с наполнением в бихромате калия 756
61 АМгб, покрытие анодно-окисное на химически полированной и кратковременно матированной поверхности 516, 997, 1245
62 АМгб, покрытие анодно-окисное на химически полированной и кратковременно матированной поверхности 374,516
63 АМгб, покрытие анодно-окисное на химически полированной и кратковременно матированной поверхности 539, 756,939,958
64 АМгб, покрытие анодно-окисное на переменном токе на химически полированной поверхности 539, 756,958
65 АМгб, покрытие анодно-окисное с наполнением в воде 539, 756,958
66 Д16, покрытие анодно-окисное с наполнением в воде 539, 756, 958
67 АМгб, покрытие химически полированная поверхность 309, 374,470,516, 539, 756, 958, 1245, 1638
68 АД1, покрытие анодно-окисное кратковременное 309
69 Д16, покрытие анодно-окисное на химически полированной поверхности 1245
70 Д16, покрытие анодно-окисное 1245
71 АМгб, покрытие анодно-окисное на переменном токе на химически полированной поверхности, химически окрашенное в растворе железоаммонийоксалата 539
72 Д16, покрытие анодно-окисное на переменном токе на химически полированной поверхности, химически окрашенное в растворе железоаммонийоксалата 539
73 АМгб, вакуумное покрытие ВП-ОК 516
74 Фторопласт Ф-4 1245
75 Пленка Ф-10Б (100 мкм) 1245
76 Пленка Ф-100 (90 мкм) 1245
77 Пленка Ф-50 (120 мкм) 1245
78 Пленка Ф-62 (100 мкм) 374
79 Пленка Ф-4МБ (100 мкм) 309,374, 1245
80 Пленка Ф-4МБ + ITO 374
81 Пленка Ф-10Б/А1 на липком слое 1638
82 Пленка Ф-4МБ/А1 на липком слое 997, 1638
83 Пленка Ф-4МБС на липком слое 1638
84 ОСО-Ф4МБ на липком слое 756
85 ОСО-Ф-50 на липком слое 756
86 ТР-СО-ФСр 516, 539
87 Пленка FEP-20 (100 мкм) 309
88 Пленка Teflon FEP (45 мкм) 539, 756
89 Пленка 150F019 (38 мкм) 309
90 Пленка 200F919 (50 мкм) 309
91 Пленка ПМФ-351 (50 мкм) 374
1024
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Продолжение табл. 4.2.2
№ п/п • Материал, покрытие Время экспозиции, сутки
92 Пленка ПМФ-С-352 (40 мкм) 309
93 Пленка ПМФ-352-Б-А (60 мкм) 1638
94 Пленка ПМ (40 мкм) 374,516,997
95 Пленка ПМ (75 мкм) 309, 756,997,1638
96 Пленка Кантон (75 мкм) 756
97 Пленка Кантон (50 мкм) 539,756
98 Пленка Кантон (200 мкм) 539,756
99 Пленка Кантон (300 мкм) 539,756
100 Пленка Upilex-R (125 мкм) 539, 756
101 Пленка Upilex-S (125 мкм) 539, 756
102 Пленка ПМ-1ЭУ (25 мкм) 756
103 Пленка Кантон (25 мкм) 756
104 Пленка ПМ (100 мкм) 374, 539, 756,958,997, 1245
105 Пленка ПМ-Э (25 мкм) 309
106 Пленка ПМ-ДА (20 мкм) 1245
107 Пленка ПМ-1ЭУ-ОА (20 мкм) 374
108 Пленка ПМ-1ЭУ-ОА (20 мкм) + SiO2 374
109 ПМ-А (40 мкм) + SiOx 539, 756
ПО Пленка ПМ-ОА (40 мкм) + ITO 374,539
111 Пленка ПМ-1ЭУ (12 мкм) + ITO 374
112 Пленка ПМ-А-ДА-131 на липком слое 1245
113 Пленка ПМ-ДА (20 мкм) + НВКА 756
114 Пленка ПМ-ДА + НВКА/с 756
115 Пленка ПМ-ДА + НВКА/нс 756
116 Пленка Кантон (25 мкм) 309
117 Пленка Кантон + А1 перфорированная 1245
118 Пленка Кантон (30 мкм) + А1 997
119 Пленка Кантон (25 мкм) + Си 1245
120 Пленка RFAAF 0050 (50 мкм) 1245
121 Пленка Кантон (25 мкм) + Ti 1245
122 Пленка ПМ (25 мкм) + Ag 756
123 Пленка ПЭТ-М (20 мкм) 309,997
124 Пленка ПЭТ-К-ДА (20 мкм) 309
125 Пленка ПЭТ-К-ОА (5 мкм) вверх. ПЭТ 309, 374
126 Пленка ПЭТ-К-ОА (35 мкм) вверх. А1 1245
127 Пленка ПЭТ (35 мкм) + латунь 1245
128 Пленка ПМЛ-131 на липком слое 1245,1638
129 Пленка ПМЛ-1 на липком слое 1638
130 Пленка ПМЛ-1Э + сажа 309
131 Пленка ПМ-К-131+ сажа 997,1245,1638
132 Пленка ПМФ-А-Б со стор А1 1638
133 Пленка Фенилон (50 мкм) 997
134 Пленка ПИ-ПК-200 (30 мкм) 1387
135 ПМ-1ЭУ-ДА/ТСОН-СОТМ «бц» 756
136 ПМ-1ЭУ-ДА/ТСОН-ИП «с» 1245
137 ПМ-1ЭУ-ДА/ТСОН-ИП «з» 1245
138 ПМ-1ЭУ-ОА/Аримидная ткань 374
139 ПЭТ-К-ДА/СОТМ «бц» 756
140 ПЭТ-К-ДА / Арс 756
141 ЛЭТСАР 374
142 Ткань стеклянная Т-13 756,958
143 Ткань стеклянная Т-10 539
144 ТСОН-СОТМ «бц» 374,1638
145 ТСОН-СОТМ «бц»/А1 374
146 ТСОН-СОТМ «бц»/Ф-4МД 1245
ГЛАВА 4.2 ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА
1025
Продолжение табл. 4.2.2
№ п/п Материал, покрытие Время экспозиции, сутки
147 ТСОН-200-ТО-ОА 756
148 ТСОН-ИПМ «с»/Ф-4МД 1638
149 ТСОН-ИПМ«с»/Ф-Ю 1638
150 ТСОН-ИП «с»/Ф-4МД 756
151 Ткань аримидная арт. 56420 309, 374, 539, 756, 997
152 Ткань аримидная + SiO2 374,516
153 Ткань аримидная/А1 + SiO2 374
154 Ткань Арамидная «Русар» 534,756
155 Ткань аримидная СТАТ-1 1638
156 Ткань аримидная СТАС-1 1638
157 Ткань фторлоновая 374
158 Лакоткан ь ЛТА-6 756
159 Ткань лавсановая ЛТ 1638
160 Ткань полифеновая 997
161 Ткань Betacloth 1245
162 Ткань Betacloth/Al 374
163 Бета-пленка 374
164 Ткань Кирза 756
165 ЭВТИ 539, 756, 958
166 Лента аримидная ЛТАр-20-200 666
167 Шнур ШТТ-3-300 756
168 Шнур ШТАр-3-300 756
169 Шнур ШТ-твим-3 756
170 Шнур ШТПК 666
171 Шнур ШТАрТ-3-75 666
172 Шнур ШТСВМ-3-250 666, 756
173 Лента ЛТПф 15-40 666
174 Лента ЛТСВМ 25-1000 666
175 Лента ЛТАрТ-40-60 666
176 Нити СВМ 59т 666
177 Нити аримидные 180ат 666
178 Нити кремнеземные К23НС9-175-13к 666
179 Нити кремнеземныеК-11С6-180-ОФ 666
180 81ОХ/Оргстекло/А1 + SiOx 1245
181 SiOx + Al/Оргстекло/Al + SiOx 1245
182 SiOx + Al/ГК-120 на углепластике 516
183 SiOx + Al/ГК-140 на углепластике 516
184 SiOx + Al/ГК-160 на углепластике 516
185 Поликарбонат/Al + SiO2 997
186 Поли карбонат/Al + ГМДС «N» 997
187 Поликарбонат/А1 + Компаунд 1 997
188 Углепластик КТМУ-1 997
189 Углепластик КМУ-4Л 1387
190 КМУ-4Л + лак УР-231 + Al + SiOx 1387
191 КМУ-4Л + лак МЛ-133 + Al + SiOv 1387
192 КМУ-4Л + эпоксидная смола + Al + SiOx 1387
193 Покрытие К-208Ср 374,516, 539
194 Покрытие К-208СрУ 539
195 Оргстекло 1245
196 Оргстекло/Al + SiOx 1245
197 Кабель MCI6-13 309
198 Фольга алюминиевая 309
199 Фольга ниобиевая 309
200 Фольга титановая ВТ-1-0 309, 539, 756, 958
201 Сплав НбЦУ 516
202 Сплав ВЦУН-10 516
1026
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
После возвращения образцов на Землю проводились следующие комплексные ис-
следования свойств материалов:
• визуальный осмотр и оценка изменения внешнего вида образцов после экспо-
нирования в сравнении с образцами-свидетелями;
• измерение термооптических характеристик: а5 (интегральной поглощательной
способности солнечной радиации) и 8 (степени черноты) образцов до и после
испытаний, а также коэффициента отражения и пропускания Ts для прозрач-
ных материалов;
• взвешивание образцов и оценка изменения их массы;
• предельные температуры нагрева образцов и корпуса кассеты при помощи
термоиндикаторов плавления;
• измерение спектральных коэффициентов пропускания для прозрачных мате-
риалов и отражения Rx для непрозрачных материалов и ТРП;
• определение физико-механических характеристик пленочных, тканевых мате-
риалов и нитей до и после экспонирования;
• определение химического состава поверхностного слоя образцов;
• микроструктурный анализ поверхностного слоя образцов на основе использо-
вания результатов микрофотографирования.
4.2.1.2. Результаты исследований
Комплексные исследования материалов показали, что практически у всех мате-
риалов после НИ в разной степени наблюдается изменение их свойств. В табл. 4.2.3
приведены данные об изменении термооптических параметров (а5, 8) и потерях мас-
сы (АЛ/) некоторых материалов и покрытий.
Изменение параметров материалов и покрытий
в результате экспонирования в космосе
Таблица 4.2.3
Материал Кассета Экспозиция, сутки а5 £ АЛ/, г
до после до после
Б1 ЕЛЫЕ СИЛИКАТН ЫЕ ПОКРЫТИ Я
ТР-СО-2 СКК-1 470 0,180 0,180 0,97 0,94 -0,0003
СКК-4 1038 0,185 0,19 0,95 0,92 +0,0065
СКК-6 374 0,170 0,180 0,94 0,95 +0,0008
СКК-11 516 0,180 0,185 0,96 0,95 +0,0019
СКК№ 1-СО 756 0,177 0,177 0,946 0,938 -0,0012
ТР-СО-11 СКК-1 470 0,14 0,14 0,94 0,93 +0,017
СКК-2 756 0,14 0,14 0,94 0,93 +0,028
СКК-4 1038 0,15 0,14 0,935 0,885 -0,015
ТР-СО-12 СКК-1 470 0,190 0,190 0,96 0,94 +0,0011
СКК-2 756 0,185 0,19 0,96 0,945 +0,0057
СКК-4 1038 0,185 0,190 0,95 0,91 +0,0040
СКК-5 1245 0,190 0,180 0,95 0,94 +0,0011
СКК-12 309 0,20 0,24 0,925 0,94 +0,0005
ГЛАВА42ИССЛЕД0ВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА
1027
Продолжение табл. 4.2.3
Материал Кассета Экспозиция, сутки а5 £ г
до после до после
БЕЛ ЫЕ ЛАКОКРАСОК 1НЫЕ ПОКРЬГ ГИЯ
ЭП-140 белая СКК-2 756 0,35 0,37 0,90 0,90 -0,0051
СКК-6 374 0,29 0,29 0,88 0,915 -0,0046
СКК-11 516 0,37 0,405 0,92 0,90 -0,0019
СКК№ 1-СО 756 0,318 0,314 0,898 0,920 -0,0038
КО-5191 СКК-1 470 0,18 0,20 0,89 0,89 0,0000
СКК-12 309 0,185 0,30 0,89 0,86 -0,0018
СКК№ 1-СО 756 0,193 0,207 0,890 0,884 -0,0038
АК-573 СКК№ 1-СО 756 0,322 0,327 0,870 0,883 -0,0010
АК-512 белая СКК-1 470 0,27 0,30 0,86 0,87 -0,0028
СКК-6 374 0,25 0,25 0,86 0,89 -0,0017
СКК№ 1-СО 756 0,282 0,290 0,872 0,891 -0,0017
ЧЕРНЫЕ ЛАКОКРАСОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ
АК-512 черная СКК№ 1-СО 756 0,947 0,912 0,920 0,942 -0,0162
ФП-5246 СКК-1 470 0,98 0,96 0,92 0,91 -0,0066
СКК-1 470 0,98 0,98 0,92 0,91 -0,0003
СКК-2 756 0,98 0,91 0,94 0,85 -0,0137
СКК-4 1038 0,98 0,725 0,86 0,655 -0,0174
АК-243 черная СКК-1 470 0,98 0,92 0,95 0,94 -0,0055
СКК-2 756 0,975 0,815 0,95 0,95 -0,0096
СКК-1 470 0,98 0,97 0,95 0,95 -0,0055
СКК-4 1038 0,98 0,885 0,935 0,86 -0,0162
АНОДНО-ОКИСНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Анодное белое СКК-1 470 0,19 0,22 0,78 0,78 +0,0001
СКК-2 756 0,20 0,20 0,77 0,78 -0,0007
СКК-12 309 0,27 0,30 0,835 0,845 +0,0363
Анодное черное СКК-1 470 0,94 0,94 0,92 0,91 -0,0004
СКК-2 756 0,94 0,94 0,92 0,90 -0,0007
СКК-5 1245 0,975 0,97 0,915 0,925 +0,0005
СКК-6 374 0,93 0,915 0,92 0,94 -0,0018
ПЛЕНОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ
ОСО-Ф4МБА СКК-4 1038 0,16 0,18 0,75 0,73 -0,0199
ОСО-Ф4МБС СКК-2 756 0,11 0,15 0,775 0,74 -0,0146
ПОЛИМЕРНЫЕ ПЛЕНКИ
Ф-4МБ, 100 мкм СКК-5 1245 0,01 0,02 0,79 0,81 -0,0293
СКК-6 374 0,01 0,015 0,78 0,81 -0,0051
СКК-12 309 0,01 0,05 0,83 0,836 -0,0008
FEP-20, 100 мкм СКК-12 309 0,01 0,06 0,84 0,82 -0,0008
ПМ, 100 мкм СКК-4 1038 0,38 0,56 0,87 0,85 -0,0286
СКК-5 1245 0,36 0,33 0,86 0,875 -0,0245
СКК-6 374 0,365 0,32 0,845 0,87 -0,0312
СКК № 1-СО 756 0,33 0,40 0,85 0,88 -0,0221
ПМ, 80 мкм СКК-12 309 0,25 0,33 0,88 0,89 -0,0024
1028
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Силикатные покрытия класса «солнечный отражатель» на основе окиси цинка
(ТР-СО-2, ТР-СО-12, ТР-СО-12М, ТР-СО-ЮМ) и ортотитаната цинка (ТР-СО-4,
ТР-СО-11) характеризуются наиболее высокой стойкостью к воздействию ФКП на
низких околоземных орбитах, их термооптические (а5, е) и массовые характеристики
практически не меняются за время НИ. Значительных изменений структуры поверх-
ности также не наблюдается. Для силикатных покрытий характерно, что УФ-радиа-
ция Солнца и атомарный кислород остаточной атмосферы Земли оказывают проти-
воположное и взаимно компенсирующее воздействие на изменение термооптических
характеристик.
Силикатные покрытия класса «солнечный отражатель» на основе ZrO2 очень чув-
ствительны к воздействию УФ-излучения Солнца. Внешне это проявляется в измене-
нии цвета образца - из белого он становится ярко-желтым. При взаимодействии с
атомарным кислородом происходит эрозия верхнего потемневшего слоя, о чем сви-
детельствует довольно значительное уменьшение массовых характеристик покрытий.
Это приводит к тому, что изменение коэффициента поглощения (0,04-0,07 за 756 су-
ток экспонирования) становится значительно меньше, чем при воздействии только
УФ-излучения, хотя и выше, чем у покрытий на основе окиси цинка и ортотитаната
цинка.
Нестойкими к воздействию ФКП являются покрытия с органическим связующим.
Примером является покрытие класса «солнечный отражатель» на основе ZrO2 с
кремнийорганическим связующим, для которого увеличение поглощательной спо-
собности за 756 суток экспонирования составило 0,185. Масса образца практически
не изменилась. В результате можно сделать вывод, что при взаимодействии данного
покрытия с атомарным кислородом не происходит отбеливания и эрозии верхнего
слоя, а также, кроме деградации пигмента, происходит помутнение кремнийоргани-
ческого связующего, что и приводит к резкому увеличению as.
У белых эмалей класса «солнечные отражатели» КО-5191, КО-5258 на основе
кремнийорганического связующего и окиси цинка при экспонировании наблюдается
заметное пожелтение и увеличение поглощательной способности при практически
неизменной массе, что также свидетельствует о стойкости кремнийорганического
связующего эмалей к воздействию атомарного кислорода и нестойкости к УФ-излу-
чению.
У образцов эмали ЭП-140 белая отмечается эрозия поверхностного слоя (эффект
«меления»), а также значительная потеря массы при небольшом увеличении погло-
щательной способности, что говорит об активном взаимодействии связующего эмали
с атомарным кислородом.
Наиболее значительные изменения эксплуатационных характеристик наблюдают-
ся у черных покрытий класса «солнечные поглотители» ТОВ и ТО-12, что обуслов-
лено наличием в их составе углерода, который активно взаимодействует с атомарным
кислородом. Образцы сильно обесцвечиваются за счет «съедания» пигмента, и их
поглощательная способность резко уменьшается.
По-разному ведут себя черные лакокрасочные покрытия класса «истинные погло-
тители». Наиболее стойкими к воздействию ФКП являются эмали КО-811К черная,
АК-512 черная, 1-331-91, ЧФ-1, ЧФ-2, у которых термооптические и массовые харак-
теристики остаются практически без изменений.
ГЛАВА 4,2 ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА 1029
У ТРП АК-243 черная и ФП-5246, в состав которых также входит углерод, изме-
нения носят следующий характер: покрытие АК-243 из черно-матового превращается
в серовато-голубое, легко стирающееся механически, наблюдается потеря матовости;
покрытие ФП-5246 из черного превращается в серовато-белесое, а при длительном
экспонировании полностью исчезает, так как изменение толщины покрытия за счет
уноса массы сравнимо по порядку величины с исходной толщиной. С целью разделе-
ния влияния на покрытия УФ-излучения и атомарного кислорода один из образцов
каждого вида покрытий был закрыт при экспонировании кварцевой пластиной, про-
пускающей электромагнитное излучение Солнца и защищающей его от потока ато-
марного кислорода. Исследования показали, что для закрытых образцов обесцвечи-
вания практически не наблюдается.
Анализ спектров диффузного отражения покрытий проводился отдельно для
УФ-видимой (200-800 нм) и ближней ИК- (800-2 500 нм) областей. Как показали
результаты исследований, для лакокрасочных покрытий на основе широкозонных
полупроводниковых и диэлектрических материалов наибольшие изменения отража-
тельной способности после НИ наблюдаются для покрытия, где в качестве пигмента
используется порошок диоксида циркония. После НИ данный образец приобретает
интенсивную желто-коричневую окраску, а разностный спектр отражения представ-
ляет собой достаточно интенсивную неэлементарную полосу в спектральном диапа-
зоне 250-850 нм с максимумом при 350 нм. Снижение отражения может быть обу-
словлено как деградацией пленкообразователя (коротковолновая часть спектра), так
и дефектообразованием в пигменте. Кроме этого, возможно протекание фотохимиче-
ских реакций на границе раздела «пигмент-пленкообразователь».
Для силикатного покрытия на основе диоксида циркония изменения отражатель-
ной способности после НИ значительно меньше по сравнению с эмалями на данном
пигменте. Данный факт подтверждает то, что основной причиной снижения отража-
тельной способности лакокрасочных покрытий является деградация органического
полимера.
Исследования химического состава поверхности образцов, проведенные при по-
мощи рентгеновского бездисперсионного микроанализатора с полупроводниковым
приемником излучения, встроенного в электронный микроскоп, показали, что прак-
тически для всех типов покрытий после НИ имеет место увеличение доли пленкооб-
разующих материалов и снижение содержания на поверхности пигментной основы.
Причем такое явление наблюдается как для лакокрасочных, так и для силикатных
покрытий.
Исследования структуры поверхности покрытий показали, что силикатные и ла-
кокрасочные покрытия различаются по рельефу поверхности. До НИ эмали имеют
достаточно плоскую шероховатую поверхность с небольшим количеством пор. После
НИ на поверхности лакокрасочных покрытий появляются неровности и количество
пор увеличивается. Силикатные покрытия уже в исходном состоянии имеют на по-
верхности довольно значительное количество трещин. После НИ сеть трещин воз-
растает, их размеры увеличиваются. В покрытии ВЭ-30 после НИ наблюдается уве-
личение отслоения чешуек пигмента. Для покрытий ТР-СО-90, 40-1-12-88, ТОВ
заметен выход частиц пигмента на поверхность, причем степень заполнения поверх-
ности такими частицами незначительна. Размеры частиц пигментов в покрытиях в
1030
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
результате НИ практически не изменяются, о чем свидетельствуют результаты стати-
стической обработки результатов измерений.
Таким образом, наиболее стойкими к воздействию ФКП на низких околоземных
орбитах являются силикатные ТРП на основе окиси цинка. Лакокрасочные покрытия
из-за наличия в их составе органического связующего претерпевают значительные
изменения как оптических, так и массовых характеристик. Высокой стойкостью к
воздействию ФКП характеризуются покрытия, представляющие собой низковаку-
умный конденсат алюминия на фольге или полимерной пленке, термооптические и
весовые характеристики таких покрытий практически не меняются.
Образцы анодно-окисных покрытий на алюминиевых сплавах АМгб, АД1 и Д16
также характеризуются высокой стойкостью к воздействию ФКП. В процессе НИ
они практически не меняют свой внешний вид и термооптические и массовые ха-
рактеристики, если расположены в «чистых» зонах. Из-за своей пористой структуры
эти покрытия очень чувствительны к наличию загрязнений. Поэтому, если покры-
тия расположены в «зонах видимости» источников загрязнений (материалов с высо-
ким газовыделением, струй от ДУ), они приобретают желтый цвет, а их коэффициент
поглощения и масса возрастают.
Покрытие на основе стекла К-208Ср характеризуется высокой стойкостью к ФКП.
Изменение оптических и массовых характеристик в процессе эксплуатации опреде-
ляется только уровнем загрязнения на покрытии, так как при воздействии УФ-излу-
чения происходит полимеризация и потемнение сконденсировавшихся на покрытии
продуктов от источников загрязнений. Деградация самого покрытия возможна только
в случае, если недостаточно надежно изолированы места стыков элементов покры-
тия, так как в этом случае происходит активное окисление атомарным кислородом
серебра, нанесенного на внутреннюю поверхность стекла К-208.
У пленочных материалов и ТРП, применяемых без защитных покрытий, после НИ
наблюдаются значительные изменения: помутнение, исчезновение блеска, появление
матовости. Полимерные пленки (полиимидные, фторопластовые, полиэтилентереф-
талатные) при воздействии на них атомарного кислорода подвергаются эрозии, су-
щественно уменьшаются их масса и толщина [10-12].
Наиболее интересным результатом НИ, ярко характеризующим воздействие ато-
марного кислорода, является полное исчезновение полиимидной пленки толщиной
12 мкм, сохранилась только часть пленки, закрытая от набегающего потока прижим-
ной рамкой.
Полиимидная пленка ПМ-1ЭУ-ОА толщиной 20 мкм, экспонированная неметал-
лизированной стороной наружу, также претерпевает существенные изменения: про-
исходит значительный унос массы пленки (толщина пленки уменьшается приблизи-
тельно в два раза); поверхность пленки с неметаллизированной стороны становится
шероховатой, наблюдается потеря блеска; сильно изменяются интегральные оптиче-
ские характеристики неметаллизированной стороны пленки; происходит уменьшение
спектральной пропускательной способности от 0,8 до 0,14, что является следствием
изменения структуры поверхности пленки.
Полиимидная пленка ПМ-1ЭУ-ОА, экспонированная металлизированной сторо-
ной наружу, практически не изменяет свойств (по толщине, прочности и относитель-
ном удлинении при разрыве и оптическим свойствам).
ГЛАВА 4.2 ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА
1031
Эрозия фторопластовых пленок по данным наших НИ довольно существенна, хо-
тя и меньше, чем у полиимидных. Наряду с изменением внешнего вида у фторопла-
стовых покрытий и пленок ОСО-Ф-4МБ/А1, ОСО-Ф-50/А1, Ф-10Б, Ф-100Б и т. д. от-
мечается изменение оптических и, особенно, массовых характеристик этих материа-
лов. Анализ результатов показал, что наибольший удельный унос массы с единицы
поверхности наблюдается на образце Ф-400, а наиболее стойким к воздействию ато-
марного кислорода является фторопласт Ф-4МБ. Структурный анализ исследуемых
пленок позволяет сделать вывод, что основным процессом их разрушения в условиях
эксплуатации на низких околоземных орбитах является эрозия поверхности при воз-
действии потока атомарного кислорода.
Результаты ИК-спектроскопии показали, что изменений ИК-спектров образцов
фторопластов после НИ во всех образцах нет. Увеличение диффузной составляющей
в спектрах всех пленок указывает на увеличение шероховатости поверхности после
НИ. Сравнение спектров до и после НИ свидетельствует о том, что изменения опти-
ческих свойств при воздействии ФКП наименьшие у фторопластов марок Ф-4МБ и
Ф-10БМ. Рентгеноструктурный анализ показал, что рентгеновская степень кристал-
личности X после НИ не меняется в пределах точности измерения. Это является сви-
детельством того, что атомарный кислород не проникает в глубь материала, а взаи-
модействует с поверхностью.
Полиэтилентерефталатные пленки деградируют сильнее всех остальных поли-
мерных пленок, поэтому в условиях открытого космоса на низких орбитах не реко-
мендуется использовать их без защитного покрытия.
Таким образом, при применении полимерных пленок на наружных поверхностях
КА с длительным сроком эксплуатации на низких орбитах необходима их защита от
воздействия атомарного кислорода. Как показали НИ, эффективными средствами
защиты от атомарного кислорода являются металлизация поверхности, а также при-
менение защитных покрытий. Применение защитных покрытий (SiO2, In2O3 + SnO2)
существенно снижает риск деградации полимерных материалов под действием ФКП.
Результаты исследований показывают, что защитный слой обеспечивает сохранность
испытуемых материалов и их функциональных свойств, обуславливая незначитель-
ные изменения термооптических и массовых характеристик.
Натурные эксперименты показали, что композиционные графитоэпоксидные ма-
териалы активно взаимодействуют с атомарным кислородом. До полета поверхность
образцов была гладкой, блестящей, коричнево-черного цвета. После НИ поверхность
углепластиков становится матовой и шероховатой, цвет изменяется, становятся за-
метны армирующие элементы (оголенное волокно). Наиболее интенсивная эрозия
наблюдается на участках скопления связующего. Нанесение защитных покрытий
(например, эмалей ЭП-140 белая, АК-512 белая) защищает углепластик от воздейст-
вия атомарного кислорода.
Во время экспериментов с помощью съемных кассет было обнаружено, что в не-
которых кассетах образцы покрыты неравномерным налетом аморфного вещества с
различными оттенками коричневого цвета. На образцах имелись чистые участки, что
свидетельствует об образовании инородного поверхностного слоя в результате осаж-
дения преимущественно направленного молекулярного потока, состоящего из элемен-
тов и соединений, преобладающих в атмосфере ОС вблизи места крепления кассет.
1032
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Во время экспонирования съемных кассет на наружной поверхности ОС к станци-
ям стыковались различные модули, транспортные и грузовые корабли, происходила
смена экипажей, неоднократные стыковки и облеты космическими кораблями «Space
Shuttle», выходы космонавтов в открытый космос. Поэтому к обычным источникам
загрязнений, связанным с газовыделением из конструкционных материалов ОС (это
газовыделение монотонно снижается с течением времени после вывода станции на
орбиту), добавляются другие источники загрязнений, в частности от присоединенных
модулей, от выхлопных газов из двигателей, от собственной атмосферы носителей,
от двигателей систем ориентации и управления.
В связи с этим определение химической природы налетов на поверхности ОС,
функционировавшей в реальных условиях продолжительное время, представляет
очень сложную задачу и особый интерес.
Для анализа поверхностного загрязнения использовались различные методы:
• методами оптической и электронной микроскопии изучалась морфология и
структура поверхностного слоя образцов;
• методом рентгеновского микроанализа определены пространственные распре-
деления элементов (от натрия до урана) в поверхностном слое глубиной до
1 мкм при разрешении около 1 мкм;
• методом вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) проведен анализ эле-
ментного состава и определение поверхностных химических групп на глубине
до 10 нм;
• методом рентгеноэлектронной спектроскопии (РЭС) или электронной спектро-
скопии для химического анализа (ЭСХА) проведен элементный и химический
анализ поверхностных групп (элементы тяжелее углерода) при глубинах зон-
дирования до 3-5 нм;
• методом термодесорбционной масс-спектрометрии проведено предварительное
исследование газовыделения при нагреве образцов в вакууме;
• методом рентгенофазового анализа проведено сравнение фазового состава по-
верхности образцов в исходном состоянии и после летных испытаний.
В результате анализа образцов было установлено, что спектры поверхности экс-
понированных образцов, в отличие от контрольных, имеют в основном только пики
углерода, кислорода и кремния, что подтверждает наличие на поверхности образцов
пленки кремнийорганического и углеводородного загрязнения [13, 14].
Экспонированные образцы можно условно разбить на три группы: образцы, на
которых визуально не наблюдается загрязнений, образцы, на которых загрязнения
незначительны, и сильно загрязненные образцы.
Исследования поверхностного слоя образцов «чистых» покрытий до и после НИ
методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии показали, что на поверхно-
сти этих образцов после экспонирования повышается содержание углерода и крем-
ния. Поверхность покрытия после НИ становится более развитой.
На образцах второй группы при оптических исследованиях наблюдаются отдель-
ные рельефные островки, в спектре отражения которых преобладает желтый цвет.
Размеры большинства островков лежат в диапазоне -0,01-0,5 мм. По сравнению с
исходным покрытием поверхность также имеет более развитую структуру. Из срав-
нения изображений поверхности покрытия в исходном состоянии и после летных
ГЛАВА 4,2 ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА 1033
испытаний можно сделать вывод, что в результате летных испытаний рельеф по-
верхности становится более мелкозернистым (характерный размер зерна составляет
примерно 1-3 мкм). На поверхности наблюдаются участки размерами 5-150 мкм,
закрытые относительно гладкой пленкой, облегающей рельеф. Пленка местами от-
слаивается от поверхности. Толщина пленки, согласно оценкам, лежит в пределах
0,6-0,8 мкм. В местах, прикрытых пленкой, существенно возрастает содержание
кремния, что объясняется загрязнением внешней поверхности во время полета мате-
риалом, содержащим кремний и образующим чешуйки налета.
Поверхность некоторых образцов приобретает коричнево-желтую окраску с раз-
личными оттенками. Эти тона распределены неравномерно, образуя полосы и пятна с
размерами порядка нескольких десятков сантиметров.
Исследования налета проводились методами рентгеноспектрального микроана-
лиза (РСМА) и ИК-спектроскопии. При анализе налета было определено, что он не
растворяется в известных растворителях и является сложной заполимеризованной
смесью конденсируемых летучих соединений, таких как алифатические спирты,
простые и сложные эфиры и ненасыщенные углеводороды, являющиеся продукта-
ми газовыделения полимерных материалов.
Анализ поверхностей показывает, что темные и светлые участки различаются как
по структуре, так и по элементному составу. Темные участки содержат локальные
пятна налета с толщинами до 100 мкм и размерами до 100-200 мкм. Промежутки
между этими пятнами состоят из более тонких слоев налета - тоньше 1 мкм. Светлые
участки содержат меньшее количество налета и в гораздо более сильной степени об-
наруживают признаки эрозии.
У эмалей вследствие эрозии существенно возрастает доля микрочастиц пигмента
в поверхностном слое из-за удаления закрывающего их связующего. Обнажение
микрочастиц пигмента при продолжительном экспонировании может привести к
полному освобождению этих микрочастиц и формированию из них пылевого облака
в собственной внешней атмосфере КА.
В случаях фторопласта и полиимидной пленки наблюдается повышение содержа-
ния кислорода в поверхностном слое, что может быть вызвано несколькими причи-
нами: окислением налета и подложки атомарным кислородом, обнажением участков
подложки с повышенным содержанием кислорода вследствие эрозии, попаданием
кислорода в составе газов, формирующих налет.
Лицевая поверхность образцов третьей группы имеет выраженный волнистый
рельеф. При этом спектр отражения смещается в желтую область. На фоне рельефной
поверхности, спектр отражения которой захватывает зеленую область, наблюдаются
рельефные светлые участки со спектром отражения в желтой области.
Кроме того, на поверхности образцов третьей группы имеются светлые пятна раз-
личной величины и конфигурации с радужной игрой света. Отдельные детали на ра-
дужных пятнах, в частности, серии темных и светлых полос, повторяющих контуры
пятен, характерны для явления интерференции света в тонких пленках переменной
толщины или разного наклона.
Все это позволяет предположить наличие на поверхности прозрачной пленки,
спектр отражения которой, вероятно, лежит в желтой области. Появление радужной
картины означает, что толщина пленки составляет 1,5-2 длины волны света, т. е. ле-
1034
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
жит в пределах 0,7-1,2 мкм. Наличие множества пятен округлой формы с интерфе-
ренционными полосами по контуру может свидетельствовать о повреждении и про-
гибе пленки в результате ударов микрочастицами. Не исключено, что образование
таких структур, а также радужных незамкнутых полос на пятнах неправильной фор-
мы связано с отслоением пленки от подложки в результате термоциклирования в ходе
летных испытаний. На поверхности этой пленки могут присутствовать как плоские
чешуйки с повышенным содержанием кремния, так и отдельные включения с еще
более высоким содержанием кремния. В пленке имеются трещины и разрывы.
4.2.2. Эксперименты «Эпсилон» и «Коэффициент»
4.2.2.1. Аппаратура и методика измерений
В экспериментах «Эпсилон» и «Коэффициент» проводились исследования дина-
мики изменения термооптических параметров (а5, £) образцов ТРП в процессе полета
при воздействии ФКП и собственной внешней атмосферы КА. В обоих эксперимен-
тах параметры as и £ определялись расчетным методом на основании данных о тем-
пературе образцов, получаемых по телеметрическим каналам.
В эксперименте «Эпсилон» на внешней поверхности модуля «Квант-2» в назем-
ных условиях была установлена несъемная научная аппаратура - калориметрическое
устройство «Эпсилон-ЗГЗ» с ТРП. Аппаратура была выведена на орбиту в составе
модуля и экспонировалась с 26.11.1989 г. Время экспонирования до последнего сеан-
са записи телеметрической информации (10.12.1999) составило 3 665 календарных
суток. Испытания продолжались до конца активного существования ОС «Мир».
Калориметрическое устройство «Эпсилон-ЗГЗ» представляет собой цельнометал-
лическую базовую плиту из алюминиевого сплава в виде правильного треугольника.
На плите закреплены три микрокалориметра (МК) диаметром 60 мм в виде образцов
покрытий с наклеенными с тыльной стороны температурными датчиками. Устройст-
ва термоизолированы от базовой плиты пакетами экранно-вакуумной теплоизоляции
(ЭВТИ).
В составе «Эпсилон-ЗГЗ» экспонировались два образца ТРП класса «солнечные
отражатели»: силикатное на основе Zn2TiO4 (ТР-СО-11) и пленочное на основе фто-
ропластовой пленки с внутренним напылением серебра (ОСО-Ф4МБС), а также один
эталон, представляющий собой модель абсолютно черного тела. Эталонный МК ха-
рактеризуется стабильными термооптическими характеристиками (а5 > 0,95; £ > 0,95)
и используется для определения внешних лучистых тепловых потоков, а также для
выявления случаев прямой ориентации на Солнце.
В эксперименте «Коэффициент» на внешней поверхности модуля «Природа» в
наземных условиях была установлена научная аппаратура - съемное калориметриче-
ское устройство СКУ-2 с образцами ТРП. Аппаратура выведена на орбиту в составе
модуля и экспонировалась с 26.04.1996 г. Общее время экспозиции составило 1220
календарных суток (3 года 4 месяца).
Съемное калориметрическое устройство СКУ-2 представляет собой конструк-
цию в виде кассеты размером 400x200x20 мм, на крышке которой расположено 10
«активных» образцов покрытий - микрокалориметров с температурными датчика-
ГЛАВА 4.2 ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА
1035
Московское время
Рис. 4.2.5. Изменение температуры ТРП при
нагревании на Солнце и остывании в тени
Земли: 1 - АЧТ; 2 - ОСО-Ф4МБС;
3-ТР-СО-11; 4 - БП
ми. На выдвижной вставке СКУ располо-
жены «пассивные» образцы (без датчиков)
аналогичных покрытий. Исследования тер-
мооптических характеристик «активных»
образцов проводятся в динамическом ре-
жиме с помощью телеметрических измере-
ний температур образцов. «Пассивные»
образцы экспонируются в течение длитель-
ного времени и подлежат комплексному
исследованию в лабораторных условиях
после их возвращения на Землю. МК «ак-
тивных» образцов изолированы от крышки
СКУ с помощью ЭВТИ.
В эксперименте «Коэффициент» иссле-
довались ТРП классов «солнечные отража-
тели», «истинные поглотители»: силикат-
ные (на основе ZnO, Zn2TiO4), лакокрасоч-
ные (на основе ZnO), «зеркальные» (для
концентраторов солнечных установок), анодно-окисные.
Обработка информации в экспериментах «Эпсилон» и «Коэффициент» произво-
дилась на витках с участками орбит, соответствующих наибольшему солнечному
освещению микрокалориметров. Показателем прямой ориентации МК на Солнце
служат максимальные значения температур черного эталона, входящего в состав
«Эпсилон-ЗГЗ» и СКУ-2. Наибольшие значения температур эталона могут превы-
шать 100°С. На этих витках определяются реперные (опорные) точки - абсолютные
значения характеристик ots и £. Типичные графики изменения температуры образцов
ТРП при нагревании Солнцем и остывании в тени Земли приведены на рис. 4.2.5.
Расчет термооптических характеристик образцов ТРП производится путем решения
уравнения теплового баланса МК, учитывающего внешние и внутренние тепловые
потоки.
4.2.2.2. Результаты экспериментов
Значения термооптических параметров ТРП в эксперименте «Эпсилон» приведе-
ны в табл. 4.2.4. Как видно из таблицы, за первые 3,5 года полета изменения характе-
ристик oiy и £ были незначительны, что соответствовало результатам большинства
летных экспериментов с аналогичными покрытиями, проведенных ранее на других
отечественных и зарубежных КА в тех же условиях. Однако в дальнейшем наблюда-
лись значительные увеличения ots ТРП, в результате чего были получены максималь-
ные значения Aots = 0,21 - для пленочного покрытия ОСО-Ф-4МБС и Aots. = 0,26 - для
силикатного покрытия ТР-СО-11.
Анализируя результаты эксперимента, можно отметить неравномерность измене-
ния коэффициента ots ТРП - наличие максимума и последующее снижение его вели-
чины (рис. 4.2.6). Этот результат может свидетельствовать, с одной стороны, о пре-
кращении с определенного момента воздействия собственной внешней атмосферы
1036
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Таблица 4.2.4
Результаты эксперимента «Эпсилон»
Тип покрытия ОСО Ф4МБС (пленочное) ТР-СО-11 (силикатное)
Дата Сутки а5 Да5 Е а5 Да5 £
26.11.1989 - 0,11 - 0,78 0,16 - 0,93
04.02.1990 70 0,11 0,0 0,75 0,17 0,01 0,92
15.04.1993 1236 0,15 0,04 0,74 0,21 0,05 0,90
14.03.1997 2666 0,24 0,13 0,71 042 0,26 0,91
14.06.1997 2758 0,30 0,19 0,72 0,42 0,26 0,90
25.10.1997 2 890 0,32 0,21 0,66 0,42 0,26 0,92
17.08.1998 3185 0,28 0,17 0,61 0,37 0,21 0,93
04.02.1999 3357 тень Земли - - 0,50 - - 0,93
10.12.1999 3 665 0,26 0,15 0,46 0,37 0,21 -
Рис. 4.2.6. Изменение коэффициента а5
ТРП в эксперименте «Эпсилон-ЗГЗ»
от времени полета t:
О-0С0-Ф4МБС; и-ТР-СО-11
КА на ТРП, а с другой - об удалении загрязняющего слоя с поверхности ТРП под
действием атомарного кислорода верхней атмосферы Земли. Отбеливающее воздей-
ствие атомарного кислорода отмечено в более ранних натурных экспериментах, в
особенности это касалось силикатных покрытий на основе оксида цинка и ортотита-
ната цинка. Спектральные исследования этих ТРП показали увеличение коэффици-
ента отражения в видимой части спектра.
На основании полученных данных можно сделать предположение, что одной из
наиболее важных причин значительного синхронного увеличения ots ТРП являлось
загрязняющее воздействие собственной атмосферы станции и влияние двигателей
ориентации, расположенных вблизи аппаратуры «Эпсилон-ЗГЗ». Отмечено, что за-
грязнение в данной зоне носило неравно-
мерный по времени характер, проявляясь в
наибольшей мере в периоды пилотируемых
полетов после 1993 г. Качественным под-
тверждение этого служит значительное уве-
личение максимальных температур иссле-
довавшихся ТРП класса «солнечные отра-
жатели».
Интересным результатом эксперимента
«Эпсилон» является заметное уменьшение
степени черноты £ пленочного покрытия
ОСО-Ф4МБС. Максимальное время экспо-
нирования составило 10 лет, поэтому пред-
полагается, что в результате многолетнего
процесса эрозии могло наступить уменьше-
ние толщины фторопластовой пленки до
критического значения 10-12 мкм (началь-
ГЛАВА 4.2 ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КА
1037
Таблица 4.2.5
Результаты эксперимента «Коэффициент»
Тип ТРП Лабораторные исходные Летные исходные 28.04.1996 10.08.1998 11.02.1999 15.04.1999
а5 £ а5/в а5 £ а5/£ (Х5 Е а5/£ а5/£ а5/£
ТР-СО-3 0,18 0,92 0,19 0,18 0,92 0,19 0,22 0,88 0,25 0,25 0,25
ТР-СО-12 0,18 0,93 0,19 0,18 0,93 0,19 0,25 0,88 0,28 0,28 0,28
Анодированный образец 0,25 0,70 0,36 0,25 0,70 0,36 0,45 0,75 0,60 0,58 0,60
ЛКП КО-5191 0,19 0,89 0,21 0,21 0,90 0,23 0,36 0,85 0,42 0,38 0,39
ЛКП КО-859 0,42 0,96 0,44 0,58 0,88 0,66 0,55 0,56
ная толщина пленки 80-100 мкм), т. е. до зоны прозрачности в ИК-области спектра.
Поскольку на обратной стороне пленки напылено серебро с £ = 0,02-0,03, это объяс-
няет резкое уменьшение £ пленочного покрытия ОСО-Ф-4МБС.
В эксперименте «Коэффициент» значительные увеличения термооптических па-
раметров ТРП были зафиксированы уже в течение первого месяца полета модуля
«Природа» (табл. 4.2.5). Исключение составили силикатные покрытия на основе оки-
си цинка ТР-СО-12 и ТР-СО-3, у которых и в дальнейшем значения ots мало измени-
лись (Aots = 0,04-0,09 за 650 календарных суток полета). Менее стойкими к воздейст-
вию ФКП оказались:
• токопроводящая эмаль ХС-973 (Дос5 = 0,34 ; Де = 0,18);
• белая эмаль КО-5191 (Дос5 = 0,17);
• эмаль КО-859 (Дос5 = 0,13).
Степень черноты £ у лакокрасочных и силикатных ТРП не изменилась.
Полученные на ОС «Мир» данные отличаются от предыдущих результатов изме-
рений на ОС «Салют» и «Алмаз» [1,2], где исследуемые материалы экспонировались
в сравнительно «чистых» зонах, что подтверждает влияние загрязнений околообъек-
товой среды ОС «Мир» на ее внешние поверхности.
Исследования, описанные в настоящей главе, продолжаются на МКС. Калоримет-
рические устройства типа «Эпсилон» установлены также на геостационарных КА
«Ямал-100» и «Ямал-200», что позволяет исследовать особенности изменения пара-
метров ТРП на больших высотах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Gorodetsky A.A., Demidov S.A., Naumov S.F. Investigation of thermal control coatings optical characteris-
tics on board near-earth orbital stations. 41st Congress of the international astronautical federation, Dresden,
October 6-12, 1990.
2. Naumov S.F., Gorodetsky A.A., Demidov S.A., Karasev A.V. Research of thermal control coating optical
characteristics during long-term near earth orbital flight. 6th ISMSE, Noordwijk, NL, 19-23 September, 1994.
3. Naumov S.F., Demidov S.A., Gorodetsky A.A., Karpov N.I. Research of materials and coating of space craft
external surfaces using recoverable cassettes aboard the «SALYT»-«MIR»-type stations. 41st Congress of the
international astronautical federation, Dresden, October 6-12, 1990.
1038
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
4. Борисов В.А., Демидов С.А., Городецкий А.А., Гришин В.К., Денисенко В.А., Соколова С.П. Испыта-
ния в космосе терморегулирующих покрытий на орбитальной станции МИР, используя извлекаемую
кассету. В сб.: Космические корабли и ракеты, M4L8XXK-863325K, 1994.
5. Tribble А.С., Lukins R., Watts Е., Borisov V.A., Demidov S.A., Deniusenko V.A., Gorodetsky A.A., Gri-
shin V.K., Naumov S.F., Sergeev V.K., Sokolova S.P. United States and Russian thermal control coating re-
sults in low Earth orbit. Journal of Spacecraft and Rockets, January-February 1996, v. 33, No I.
6. Naumov S.F., Gorodetsky A.A., Sokolova S.P., Demidov S.A., Kurilyonok A.O., Gerasimova T.I. A study of
materials and coatings for external surfaces on board space station MIR. Proc. 8th Int. Sym. on Materials in
Space Environ. ISMSE-8, 5th Int. Conf. On Protection of Materials and Structures from the LEO Space Envi-
ron. ICPMSE-5. Arcachon, France, 2000.
7. Naumov S., Gerasimov Y., Sokolova S., Rebrov S., Gerasimova T., Kalistratova O., Prokofyev M., Grigorev-
sky A., Prosvirikov V., Buryak A., Chernik V. Influence orientation thrusters fuel/oxidizer reaction products
on thermo-optic properties of spacecraft thermal control coatings. Proceedings of the 9th ISMSE, Noordwijk,
The Netherlands, 16-20 June 2003.
8. Naumov S., Domoratsky A., Sokolova S., Kuriljonok A., Kosnina E., Alexashin V., Skurat V., Volkov I., Be-
riozkina N., Leipunsky I., Pshechenkov P. Investigation of materials of insurance and fixation arrangements
(tapes, ropes, cords, halyards and others) that are used by cosmonauts during their work in open space. Pro-
ceedings of the 9th ISMSE, Noordwijk, The Netherlands, 16-20 June 2003.
9. Naumov S., Gorodetsky A., Domoratsky A., Sokolova S., Gerasimova T., Kurilyonok A., Svetchkin V., Sku-
rat V., Beryozkina N.G., Leypunsky I.O., Pshetchenkov P. Investigation of screen-vacuum thermal insulation
(SVTI) after prolonged exploitation in a space environment conditions on external surfaces of space station
«MIR». Proceedings of the 9tn ISMSE, Noordwijk, The Netherlands, 16-20 June 2003.
10. Chernik V.N., Naumov S.F., Demidov S.A., Sokolova S.P., Svechkin V.P. Atomic oxygen ground and MIR
flight testing of polyimide films with various protecting coatings. Proc. 8th Int. Sym. on Materials in Space
Environ. ISMSE-8, 5th Int. Conf. On Protection of Materials and Structures from the LEO Space Environ.
ICPMSE-5. Arcachon - France, 2000.
11. Черник B.H., Наумов С.Ф., Демидов С.А., Соколова С.И., Свечкин В.П. Исследование полиимидных
пленок с защитным покрытиями для космических аппаратов. Перспективные материалы, 2000, № 6.
12. Chernik V., Naumov S., Sokolova S., Gerasimova T., Kurilyonok A., Poruchikova J., Novikova V. Colour po-
lymeric paints research under atomic oxygen in flight and ground-based experiments. Proc. 9th ISMSE.
ESTEC, Noordwijk, 2003.
13. Skurat V.E., Beriozkina N.G., Leipunsky I.O., Pshechenkov P.A., Tantsyrev G.D., Toropov V.P., Volkov I.V.,
Nesmeyanov A.N., Demidov S.A., Naumov S.F., Sokolova S.P. The study of surface contamination of the
space station MIR. Proc. 8th Int. Sym. on Materials in Space Environ. ISMSE-8, 5th Int. Conf. On Protection
of Materials and Structures from the LEO Space Environ. ICPMSE-5. Arcachon-France, 2000.
14. Skurat V.E., Tantsyrev G.D., Beriozkina N.G., Volkov I.V., Jigatch A.N., Leipunsky I.O., Pshechenkov P.A.,
Samsonov P.V., Toropov V.P., Demidov S.A., Naumov S.F., Sokolova S.P. Surface contamination of some
materials of space station «MIR». High Perform. Polim., v. 13, 2001.
ГЛАВА 4.3
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
«КОМПЛАСТ» НА ОРБИТАЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ «МИР»
И МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
Бахвалов Ю.О.1, Александров Н.Г.1, Смирнова Т.Н.1; Милинчук В.К.2,
Клиншпонт Э.Р.2, Ананьева О.А.2, Пасевич О.Ф.2; Бабаевский П.Г.3,
Козлов Н.А.3, Шубин А.Н.3; Новиков Л.С.4, Черник В.Н.4, Милеев В.Н.4
1ГКНПЦ им. М.В. Хруничева
2 Обнинский государственный технический университет атомной энергетики
3 «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского
4 НИИ ядерной физики МГУ
Список сокращений
КА космический аппарат ПКС полимерное клеевое соединение
МКС Международная космическая станция ТДС трещинодвижущая сила
ОС орбитальная станция ФКП факторы космического пространства
ВВЕДЕНИЕ
Ведущие космические державы активно ведут экспериментальные исследования
перспективных материалов в натурных условиях. Для этих целей используются ав-
томатические космические аппараты (КА), пилотируемые орбитальные станции (ОС)
и специализированные модули и платформы. Натурные испытания материалов соче-
таются с наземными имитационными исследованиями этих же материалов в лабора-
торных условиях. Сопоставление результатов натурных и имитационных исследова-
ний позволяет получать наиболее полные и достоверные данные и тем самым
уменьшать затраты на сертификацию используемых материалов.
1040
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Одним из направлений отечественных исследований в этой области является экс-
перимент «Компласт», проводимый ГКНПЦ им. М.В. Хруничева совместно с рядом
других организаций. Эксперимент был начат на борту ОС «Мир» в 1985 г. и продол-
жается на Международной космической станции (МКС) с 1998 г.
Основными задачами эксперимента «Компласт» являются:
• исследование стойкости используемых и перспективных материалов наружных
поверхностей КА к комплексному воздействию факторов космического про-
странства (ФКП);
• разработка методов долгосрочного (10-15 лет) прогнозирования поведения ма-
териалов в условиях длительного полета на основе результатов натурных и
имитационных испытаний для определения гарантийных сроков сохранения
работоспособности;
• разработка методов повышения стойкости материалов, способов их защиты от
воздействия ФКП и методов восстановления их первоначальных свойств.
В эксперименте исследуются материалы и покрытия разных типов: полимерные
пленки, композиционные материалы, ткани, стекла и керамики, терморегулирующие
покрытия, кремнийорганические лаки и краски, функциональные покрытия (защит-
ные, просветляющие, контактные) и др.
Экспонирование образцов производится в различных условиях, определяемых
ориентацией относительно набегающего потока частиц верхней атмосферы и сол-
нечного излучения, защитой образца с помощью различных экранов и фильтров для
ослабления воздействия отдельных составляющих космической среды, температур-
ным режимом и некоторыми другими факторами.
В эксперименте, начатом на МКС, на панелях «Компласт» установлены датчики,
позволяющие измерять в течение полета поток УФ-излучения Солнца и температуру
панелей и отдельных образцов с передачей данных по телеметрическим каналам.
Кроме того, на панелях «Компласт» размещены пассивные датчики и эталонные
образцы материалов, позволяющие на основании их послеполетных исследований
определить флюенс атомарного кислорода (АК), количество и состав загрязнений
на поверхности образцов, суммарную поглощенную дозу космического излучения,
а также число ударов твердых частиц естественного и искусственного происхож-
дения.
Для измерения потока солнечного излучения используются калориметрические
датчики ДУФИС-1 и ДУФИС-2, установленные на панелях «Компласт». Эти датчи-
ки функционируют на МКС с ноября 1998 г. Контроль температуры панелей осуще-
ствляется непрерывно с помощью термометров сопротивления ТОН, установленных
на образцах материалов и в датчиках ДУФИС-1.
Для обеспечения экспериментов, проводимых на МКС, разработан комплекс ме-
тодов и средств доставки на Землю экспонированных в космосе образцов и измере-
ния их свойств в лабораторных условиях без контакта с атмосферой. Это позволяет
сохранить постэкспозиционное состояние образцов неизменным и тем самым полу-
чить достоверную информацию об эффектах, вызываемых воздействием ФКП. С
этой целью проведено усовершенствование транспортного термоконтейнера и создан
специальный вакуумный стенд для извлечения образцов материалов и измерения их
характеристик.
ГЛАВА 4 3
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ «КОМПЛАСТ»...
1041
4.3.1. Натурные испытания полимерных материалов на орбитальной
станции «Мир»
4.3.1.1. Методика испытаний и образцы материалов
Воздействие ФКП на полимерные материалы, которые входят в состав различных
изделий КА, например, терморегулирующих покрытий, экранно-вакуумной изоля-
ции, механических конструкций и узлов, солнечных батарей, приводит к ухудшению
физико-химических, механических, оптических, теплофизических и других свойств
материалов, к потере их важных функциональных параметров и в конечном итоге -
к их полному разрушению [1]. Большое число воздействующих ФКП, одновремен-
ный и сложный характер их воздействия на полимерные материалы различной хими-
ческой структуры и конструкционного строения не позволяет достаточно надежно
проводить наземные имитационные испытания и обоснованно прогнозировать их
рабочий ресурс на КА. Имеющаяся в литературе информация о поведении материа-
лов в таких полетах была получена в условиях одновременного многофакторного
воздействия окружающей среды [2, 3], что затрудняет сопоставление результатов
натурных и наземных имитационных испытаний. Поэтому одной из важных задач
космического материаловедения является проведение дальнейших систематических
испытаний полимерных материалов в натурных условиях путем контролируемого
уменьшения количества воздействующих факторов, изменения их интенсивности и
варьирования расположения образцов материалов на поверхности КА. Кроме того,
представляется весьма важным получать информацию о характере изменения
свойств материалов в зависимости от времени пребывания на орбите.
На поверхности ОС «Мир» были размещены полимерные пленки на панелях кас-
сеты «Компласт» (рис. 4.3.1). Время экспонирования пленок в космосе первой партии
материалов составляло 28 месяцев (17.07.1995-12.11.1997) и второй - 42 месяца
(17.07.1995-08.01.1999). Панели двух партий образцов были ориентированы перпен-
дикулярно друг другу.
Были испытаны следующие полимерные пленки:
• фторопластовые пленки марки Ф4-МБ и FEP-100A (сополимеры тстрафторэти-
лена с гексафторпропиленом, фирма DuPont) размером 55 х 25 мм;
• полиимидные пленки марки ПМ-1Э и марки KaptonlOOHN (фирма DuPont)
размером 55 х 55 мм;
• пленки фторированного полиимида,
размером 55 х 30 мм;
• пленки односторонне алюминирован-
ного полиимида марки ПМ-1УЭ-ОА,
размером 110 х 50 мм.
Для определения величины деграда-
ции полиимидных пленок при воздейст-
вии электромагнитного излучения Солнца
с X > 200 нм были изготовлены две пане-
ли, одна из которых помещалась под
стеклянную рамку из кварцевых пластин
толщиной 1,2 мм.
Рис. 4.3.1. Кассета «Компласт» с образцами
полимерных пленок после экспозиции
1042 НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ РАЗДЕЛ 4
После возвращения образцов на Землю были изучены оптические спектры про-
пускания т(Х) в диапазоне 300-900 нм, коэффициенты яркости Р(Х) в диапазоне
400-750 нм, круговые диаграммы коэффициента яркости Р(0), потеря массы, поверх-
ностные свойства пленок (поверхностное натяжение, его полярная и дисперсионная
компоненты, работа адгезии и когезии), а также поверхностная структура пленок ме-
тодами сканирующей электронной и силовой атомной микроскопии, методами
ИК-спектроскопии (методом Фурье, многократного нарушенного полного внутрен-
него отражения).
4.3.1.2. Результаты послеполетных исследований образцов полимерных материалов
Приводимые ниже результаты испытаний образцов полимерных материалов,
прошедших натурную экспозицию, сравниваются с результатами испытаний образ-
цов исходных материалов, которые хранились в течение такого же времени в нор-
мальных условиях (на воздухе, при комнатной температуре и атмосферном дав-
лении).
Пленки фторопласта Ф4-МБ и FEP-100 А
После экспонирования образцы пленок FEP-100A были склеены между собой по
периметру и в нескольких местах центральной части пленок. Наружные поверхности
пленок имели неоднородный характер с разводами и пятнами. Пленка Ф4-МБ незна-
чительно помутнела, заметных различий между внутренней и наружной поверхностя-
ми нет, на внешней поверхности обнаружены утолщения в виде наплывов и гребней.
Под крепежными нитями пленки сохранили свою исходную прозрачность [4].
На рис. 4.3.2 приведены данные о толщине, массе и плотности исходных и экспо-
нированных образцов пленок Ф4-МБ и FEP-100A. Для открытой пленки FEP-100A
наблюдается уменьшение толщины и массы при увеличении плотности, а для пленки
Ф4-МБ - увеличение толщины и массы Такое изменение пленки Ф4-МБ, резко от-
личное от изменения пленки FEP-100A, а также от других полимеров, может быть
обусловлено сорбцией веществ на ее поверхности из собственной атмосферы КА или
другими механизмами [5, 6].
□ исходная
| | 28 месяцев
Ц 42 месяца
Рис. 4.3.2. Гистограммы относительного изменения толщины, массы и плотности
экспонированных пленок Ф4-МБ (а) и FEP-100A (б)
ГЛАВА 4.3
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ «КОМПЛАСТ»...
1043
После экспонирования значительно изменились значения краевых углов смачива-
ния, увеличились значения работы адгезии и поверхностной энергии полимерных
пленок. Для пленок FEP-100A значения краевых углов смачивания уменьшились на
-20° о для наружных поверхностей внешних пленок и на -12% - для внутренних по-
верхностей внешних пленок. Изменения краевых углов смачивания происходили в
основном в течение 28 месяцев. Для наружной поверхности внешней пленки, экспо-
нированной 42 месяца, установлено различие в значениях краевого угла смачивания
во взаимно перпендикулярных направлениях на 10-12°, т. е. наблюдается анизотро-
пия капли. Это явление носит локальный характер, и основание анизотропии капли
не имеет четко выраженной ориентации. Круговые диаграммы яркости наружных
поверхностей внешних пленок также имеют анизотропный характер.
Для пленки Ф4-МБ значения краевых углов смачивания уменьшились на -12%
для наружных поверхностей внешних пленок, на -5% - для внутренних поверхно-
стей внешних пленок. Круговые диаграммы яркости наружных поверхностей внеш-
них пленок носят изотропный характер.
Увеличение поверхностной энергии свидетельствует о гидрофилизации поверх-
ности, т. е. возможно образование кислородосодержащих групп в результате проте-
кания окислительных реакций.
Полиимидные пленки ПМ-1Э и Kapton 100 HN
Наибольшие изменения претерпевают наружные открытые поверхности поли-
имидных пленок - их поверхность становится мутной, рассеивающей. Те части на-
ружной пленки, которые были прикрыты крепежными деталями и нитями, сохранили
свою прозрачность и гладкость. Данные о потере массы и уменьшении толщины по-
лиимидных пленок Kapton 100 HN и ПМ-1Э после экспонирования в космическом
пространстве приведены на рис. 4.3.3а и 4.3.36 соответственно. Скорость деградации
пленок носит нелинейный характер в зависимости от времени экспонирования и в
-1,5 раза больше у пленок Kapton 100 HN [7, 8] по сравнению с пленкой ПМ-1Э.
В процессе экспозиции происходят значительные изменения химической струк-
туры полимерных пленок. Исследования краевых углов смачивания показало, что
при экспонировании происходит гидрофилизация поверхности полиимидных пленок
□ исходная
| | 28 месяцев
| 42 месяца
Рис. 4.3.3. Гистограммы относительного изменения толщины, массы и плотности
экспонированных пленок Kapton 100 HN (а) и ПМ-1Э (б)
1044
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Рис. 4.3.4. Фотографии капель воды на наружной
(а) и внутренней поверхностях (б) внешней
открытой полиимидной пленки ПМ-1Э
Наибольшей гидрофилизации подвер-
гаются поверхности открытых пленок.
В меньшей степени, но также подверга-
ются гидрофилизации поверхности за-
крытых пленок.
Исследования поверхностного на-
тяжения методом лежачей капли и кру-
говых диаграмм яркости внешней по-
верхности наружных полиимидных
пленок показали, что они имеют отчет-
ливо выраженный анизотропный харак-
тер. Ориентация осей анизотропии кру-
говых диаграмм яркости и капель на поверхности связана с направлением движения
аппарата - при изменении положения пленки на панели КА на 90° направления осей
анизотропии также изменяются на 90°. В то же время капли внутренних пленок носят
изотропный характер Обнаруженная анизотропия поверхностных свойств может
быть в том случае, если на поверхности пленок возникают области с измененной
структурой в строго ориентированном направлении, определяемом движением КА
(рис. 4.3.4).
На рис. 4.3.5 приведены спектры оптического поглощения исходной полиимид-
ной пленки ПМ-1Э (толщина 42 мкм) и открытых пленок, толщины которых после
экспонирования в течение 28 и 42 месяцев составляли 34 и 28 мкм соответственно.
Исходная полиимидная пленка начинает заметно поглощать в видимой области спек-
тра с X < 650 нм и полностью поглощает свет в области с X < 450 нм (1). Такой же
характер кривой оптического поглощения имеет пленка, закрытая от прямого воздей-
ствия ФКП (2). У пленок, экспонированных в течение 28 месяцев, наблюдается зна-
чительное увеличение поглощения в видимой части спектра (3), а после 42 месяцев
пленки становятся практически непрозрач-
ными (4).
Таким образом, изменение оптических
свойств в видимом и УФ-диапазонах спект-
ра экспонированных полиимидных пленок
зависит от места их расположения в стоп-
ке - наружные открытые пленки, особенно
после экспонирования в течение 42 месяцев,
становятся практически непрозрачными, а у
закрытых пленок оптическое пропускание
снижается всего на —10—15%. Почти полная
непрозрачность открытых пленок обуслов-
лена образованием на внешней поверхности
пространственно-организованных структур,
которые придают пленкам шероховатость и
мутность (см. ниже). Через такую поверх-
ность свет практически не проходит, и пре-
обладающим становится процесс рассеяния
Рис. 4.3.5. Оптическое поглощение
полиимидной пленки ПМ-1Э: 1 - исходная
пленка; 2 - закрытая пленка,
экспонированная в течение 42 месяцев;
3 и 4 - открытые пленки, экспонированные
в течение 28 и 42 месяцев соответственно
ГЛАВА 4.3
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ «КОМПЛАСТ»...
1045
Рис. 4.3.6. Круговые диаграммы яркости
внешней поверхности наружных
полиимидных пленок Kapton 100 HN
после экспонирования в течение
28 (1) и 42 (2) месяцев
Рис. 4.3.7. ИК-спектры полиимидной
пленки ПМ-1Э в диапазоне 2000-4000 см-1:
1 - исходная пленка; 2 и 3 - открытые
пленки, экспонированные в течение
28 и 42 месяцев соответственно
падающего света [9]. Диаграмма яркости внешней поверхности наружных пленок
имеет анизотропный характер (рис. 4.3.6), а для внутренних пленок она осталась изо-
тропной.
Результаты исследований полимерных пленок методом ИК-спектроскопии демон-
стрируют значительные изменения структуры пленок (рис. 4.3.7). Изменения ИК-спект-
ров в диапазоне 500-2 000 см-1 свидетельствуют о деструкции полимерной цепи,
разрушении имидных циклов и окислении полиимида. В изменении ИК-спектров в
диапазоне 2 500-4000 см-1 пленок, экспонированных в течение 42 месяцев, опреде-
ляющую роль играет процесс рассеяния ИК-излучсния [10, 11]. Столь существенную
зависимость ИК-спектров от времени экспонирования, вероятно, следует отнести за
счет различий в размерах образующихся на внешних поверхностях открытых пленок
пространственно-организованных структур. Если после экспонирования в течение 28
месяцев образуются преимущественно наноразмерные структуры, то после экспони-
рования в течение 42 месяцев преобладают более крупные элементы с размерами
структур в микрометровом диапазоне. Таким образом, отличия в размерах простран-
ственных структур могут значительно повлиять на ИК-спсктры пленок в этом диапа-
Рис. 4.3.8. Микрофотографии полиимидной
пленки ПМ-1Э после экспонирования
в течение 28 (а) и 42 (б) месяцев
зоне волнового числа п, а именно нали-
чие на поверхности более крупных
структур может благоприятствовать про-
цессу рассеяния ИК-излучения, что в
спектрах регистрируется как снижение
пропускания пленки [12].
Методом электронной сканирующей
микроскопии на наружных поверхнос-
тях пленок обнаружено образование
ориентированных структур, размеры ко-
торых лежат в широком диапазоне - от
десятков нанометров до нескольких
1046
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
микрометров (рис. 4.3.8). Размеры и форма этих структур существенно зависят от
времени экспонирования - после 42 месяцев экспонирования наблюдаются более
крупные структуры. По-видимому, при более длительном экспонировании в резуль-
тате протекания сложных неравновесных физико-химических процессов происходит
трансформация мелких структур в более крупные структуры. Направление ориента-
ции всех структур совпадает с направлением движения КА.
Пленки фторированного полиимида
На сборках экспонировались открытая пленка и пленка, закрытая кварцевым стек-
лом. В табл. 4.3.1 приведены данные по толщине, потере массы, направленному оп-
тическому светопропусканию пленок фторированного полиимида. Внешняя поверх-
ность наружной пленки, экспонированной без защиты в течение 28 месяцев, стала
мутной, шероховатой. Круговые диаграммы яркости наружной поверхности пленки,
экспонированной без защитного стекла, приобрела анизотропный характер. На мик-
рофотографиях, сделанных с помощью электронного сканирующего микроскопа,
наблюдается образование пространственно-ориентированных структур.
Пленки, экспонированные под кварцевым стеклом, практически не изменили
толщину, массу и оптические характеристики, а краевой угол смачивания уменьшил-
ся на ~20° и стал примерно одинаковым с обеих сторон.
Таблица 4.3.1
Параметры исходной и экспонированной пленки фторированного полиимида
Параметры Исходные значения Длительность экспонирования
28 месяцев 42 месяцев
без защиты за защитой за защитой
Толщина, мкм 43 32 43 42
Масса, мг 90,1 74,9 89,5 78,4
Светопропускание,% 85 20 80 80
Яркость, % 1 20 1,5 1,5
Таблица 4.3.2
Параметры исходной и экспонированной полиимидной алюминированной пленки
ПМ-1УЭ-ОА
Параметры Исходные значения Длительность экспонирования
28 месяцев 42 месяцев
без защиты за защитой без защиты за защитой
Толщина, мкм 21 13 21 4 21
Масса, мг 170,2 110,10 168,00 34,4 164,4
Яркость, % 1 80 4 40 2
ГЛАВА 4 3
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ «КОМПЛАСТ»...
1047
Полиимидные алюминированные пленки ПМ-1УЭ-ОА
После экспонирования внешние поверхности наружных пленок претерпели зна-
чительные изменения - стали мутными, сильно рассеивающими. После экспозиции в
течение 42 месяцев толщина наружных пленок уменьшилась на -80%, потеря массы
составила -78%, на ее поверхности образовались сквозные отверстия, часть поли-
мерного слоя исчезла. В табл. 4.3.2 приведены данные по толщине, массе и яркости
поверхностей наружных пленок. Круговые диаграммы яркости внешних поверхно-
стей наружных пленок имеют анизотропный характер. В процессе натурной экспози-
ции краевой угол смачивания внешней поверхности наружной пленки сильно
уменьшается. Для металлизированных поверхностей угол смачивания меняется не-
значительно и равен -55°. На рис. 4.3.9а, б, в приведены микрофотографии поверх-
ности (полимерной) пленки: исходной, экспонированной в течение 28 месяцев и 42
месяцев. Закрытые пленки по свойствам практически не отличаются от исходной
пленки.
Рис. 4.3.9. Микрофотографии полиимидной алюминированной пленки
ПМ-1УЭ-ОА: исходная (а), после экспонирования в течение 28 (б) и 42 (в)
4.3.1.3. Обсуждение результатов
На основании экспериментальных данных можно сделать предположение о пер-
вичной стадии процессов, ответственных за деградацию полимерных материалов под
действием ФКП. Вероятно, процесс деградации полимеров инициируется за счет
энергии, поступающей в твердый полимер в результате столкновений с его поверх-
ностью частиц остаточной атмосферы Земли. При движении КА внешняя поверх-
ность наружных пленок подвергается непрерывной бомбардировке этими частицами
под определенным углом, который задается направлением движения КА и ориента-
цией панели. В верхних слоях атмосферы Земли при температуре ~103 К средняя те-
пловая энергия атомов и молекул составляет -0,15 эВ. При скорости КА -7,9 км-с"1
кинетическая энергия частиц достигает -12 эВ и больше. Например, кинетическая
энергия атомарного азота составляет -4,2 эВ, молекулярного азота -8,4 эВ, атомарного
кислорода -4,9 эВ, молекулярного кислорода -9,8 эВ, аргона -12 эВ. Кинетическая
энергия бомбардирующих положительных ионов возрастает на величину, равную
соответствующему отрицательному потенциалу поверхности. Кроме того, ионы обла-
дают потенциальной энергией, равной энергии, затрачиваемой на их ионизацию. Неко-
торая часть нейтральных и заряженных частиц может находиться в возбужденном
состоянии. В результате максимальная энергия, передаваемая поверхности полимера
в одном акте взаимодействия с такими частицами, может достигать -25 эВ [13].
1048
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
При столкновениях количество передаваемой энергии зависит от соотношения
массы налетающей частицы М и массы принимающей частицы т пленки [14]. Коли-
чество энергии, передаваемой при столкновении, увеличивается при уменьшении
отношения т/ М. Поэтому большая скорость деградации таких водородсодержащих
полимеров как полиимиды, по сравнению со фторполимерами, может быть обуслов-
лена тем, что при столкновении с тяжелыми частицами таких энергий в полиимиды
передается значительно большее количество энергии.
Проведенные исследования полимерных пленок позволяют сделать следующие
выводы о закономерностях и механизме процессов, протекающих в полимерных ма-
териалах на низких околоземных орбитах [4, 7, 15-18].
Наибольшие изменения физико-химических, оптических, механических свойств
претерпевают наружные открытые поверхности пленок. Из сравнения исходных
свойств полимерных материалов и свойств после 28 и 42 месяцев натурной экспози-
ции следует, что скорость изменений поверхностных свойств пленок имеет нелиней-
ную зависимость от времени пребывания в космосе. Это может быть связано как с
увеличивающимися во времени изменениями состава и структуры поверхностного
слоя полимеров, так и, возможно, с усилением солнечной активности, которое на-
блюдалось в период времени после истечения первых 28 месяцев пребывания мате-
риалов в космосе.
Стойкость полимерных пленок к воздействию факторов ФКП в значительной сте-
пени зависит от химической структуры полимера и состава полимерной композиции.
Полиимидные пленки подвергаются большим изменениям, чем фторполимерные.
Так, например, потеря массы у полиимидных пленок почти в 10 раз больше, чем у
фторполимерных. Более того, происходит увеличение массы пленки Ф4-МБ, которое
за последние 14 месяцев экспозиции составило около 20%. Наименее стойкими,
вплоть до практически полной потери прочности после 42 месяцев, являются одно-
сторонне алюминированные полиимидные пленки, т. е. металлизация полиимидных
пленок приводит к значительному ускорению их разрушения. Более высокая ско-
рость деградации такого водородсодержащего полимера, как полиимид, по сравне-
нию с фторполгшерами может быть обусловлена тем, что количество энергии, пере-
даваемой полимерной матрице при столкновениях с потоком набегающих тяжелых
частиц, растет в результате уменьшения отношения т/М.
При экспонировании происходят значительные изменения химической структуры
и поверхностных свойств полимерных пленок. Исследование краевых углов смачи-
вания показало, что при экспонировании происходит гидрофилизация поверхности
как полиимидных, так и фторполимерных пленок. Наибольшей гидрофилизации под-
вергаются поверхности открытых пленок. В меньшей степени, но также подвергают-
ся гидрофилизации поверхности закрытых пленок. Процесс гидрофилизации сопро-
вождается увеличением полярной компоненты поверхностного натяжения. Это сви-
детельствует о том, что в космосе протекают окислительные реакции с участием
молекулярного и атомарного кислорода, в результате которых происходит образова-
ние кислородсодержащих полярных групп. Кроме того, в полиимидах происходит
разрушение имидных циклов. Изменение яркости поверхностей внутренних пленок,
вероятно, происходит за счет адсорбции химических соединений, находящихся в ат-
мосфере КА и проникающих в пространство между пленками в стопках.
ГЛАВА 4.3
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ «КОМПЛАСТ»...
1049
Исследования поверхностного натяжения методом лежачей капли и круговых
диаграмм яркости внешней поверхности наружных полиимидных пленок показали,
что они имеют отчетливо выраженный анизотропный характер. Ориентация осей
анизотропии круговых диаграмм яркости и капель на поверхности связана с направ-
лением движения КА - при изменении положения пленки на панели КА на 90° на-
правления осей анизотропии также изменяются на 90°. В то же время круговые диа-
граммы яркости внутренних пленок носят изотропный характер. Обнаруженная ани-
зотропия поверхностных свойств может быть в том случае, если на поверхности
пленок возникают области с измененной структурой в строго ориентированном на-
правлении, определяемом движением КА.
Результаты исследований структуры и свойств экспонированных полимерных
пленок позволяют высказать предположение о возможности протекания в условиях
космоса процессов самоорганизации и образования диссипативных структур в твер-
дых телах. Направление ориентации диссипативных структур совпадает с направле-
нием движения КА. Такая взаимосвязь свидетельствует о том, что основным факто-
ром, инициирующим процесс самоорганизации и определяющим формирование ори-
ентированных диссипативных структур, является процесс непрерывных соударений
набегающего молекулярного потока с открытой поверхностью полимерной пленки.
После прекращения воздействия ФКП диссипативные структуры могут сохраняться в
течение длительного времени из-за кинетической заторможенности процессов релак-
сации в твердых полимерах.
4.3.2. Дистанционный контроль роста трещин в клеевых соединениях
4.3.2.1. Исследуемые образцы и методика измерений
В настоящем разделе представлены методика и результаты исследований кинети-
ки докритического роста трещин в полимерных клеевых соединениях (ПКС) листов
алюминиевого сплава и слоистого полимерного композиционного материала (ПКМ),
полученных с использованием клеев марок ВК-9, ЭПК-1 и К-300, при длительной
экспозиции в условиях космического пространства. Результаты получены при прове-
дении динамического космического эксперимента с использованием образцов в виде
плоской двухконсольной балки с предварительно заданной трещиной и датчиков
дистанционного контроля роста трещин, установленных на панели «Компласт». По
данным динамического эксперимента рассчитаны зависимости скорости роста тре-
щины V от нагрузки на трещину G (G- V диаграммы) [19-21], которые сравниваются
с аналогичными диаграммами, полученными в земных условиях на контрольных об-
разцах, и позволяют оценивать и прогнозировать долговечность конструкций [22].
В наземной отработке методики и в космическом эксперименте [23, 24] использо-
ваны образцы ПКС типа плоской двухконсольной балки с предварительно заданной в
клеевом слое плоской трещиной (рис. 4.3.10). Всего использовали 9 типов образцов
ПКС, варьируя два типа склеиваемых подложек (листовой алюминий марки Д-16 и
слоистый ПКМ - фенолоформальдегидный стеклотекстолит марки КАСТ-В толщи-
ной от 2 дг> 3 мм с модулями упругости 72 и 37 ГПа соответственно) и три типа клее-
вых композиций: промышленной эпоксидной клеевой композиции холодного отверж-
1050
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Рис. 4.3.10. Схема измерительного узла:
1 - клеевой слой; 2 - склеиваемая
пластина; 3 - опорная накладка для
винтов; 4 - расклинивающий винт;
5 - датчик сопротивления
дения марки К-300 (на основе смолы «Дека-
лит-6», отверждаемой низкомолекулярным по-
лиамидным отвердителем марки Л-20 и напол-
ненной порошком борида никеля NiB), про-
мышленных эпоксидных клеев марок ВК-9 и
ЭПК-1 [25].
Для обеспечения заданного раскрытия тре-
щины в образцах ПКС используются два вин-
та, вращаемые в опорных накладках, которые
прикреплены к склеенным листам (рис. 4.3.10).
Дистанционный контроль роста трещины осу-
ществляется с помощью датчика электрическо-
го сопротивления, изготовленного из токопро-
водящего материала (константана) и наклеен-
ного на боковую поверхность образца. Датчик
состоит из набора сопротивлений (перемычек), соединенных параллельно. Принцип
его работы основан на ступенчатом увеличении сопротивления при разрыве перемы-
чек в процессе прорастания трещины. С помощью винтов устанавливается начальная
длина трещины а0 = 10-20 мм при некотором раскрытии трещины А.
Как уже отмечалось, в эксперименте «Компласт» на МКС осуществляется изме-
рение температуры панелей. На рис. 4.3.11 приведены типичные термограммы об-
разцов на одной из панелей за виток при различных режимах ориентации МКС [26].
Рис. 4.3.11а соответствует случаю вращения станции вокруг продольной оси с пе-
риодом в несколько минут, что приводило к локальным минимумам температуры
на образцах, обусловленным затенением их элементами конструкции. В режиме
стабилизации МКС вращение отсутствует, и на термограмме наблюдается циклич-
ное изменение температуры вследствие движения по орбите и вхождения в тень
Земли (рис. 4.3.116).
В космическом эксперименте, начатом 24.10.1998 г., использовано 9 образцов
ПКС с датчиками сопротивления и температуры. Первые данные стали поступать по
Рис. 4.3.11. Изменение температуры панелей «Компласт» за время одного витка:
а - при вращении станции; б - в режиме стабилизации
ГЛАВА 4.3
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ «КОМПЛАСТ»...
1051
каналам телеметрии с 20.11.1998 г. Обработка получаемых данных производилась
параллельно с результатами наземных испытаний контрольных образцов-аналогов,
которые выдерживались в нагруженном состоянии в лабораторных условиях.
4.3.2.2. Результаты и их обсуждение
Анализ информации, полученной с панелей «Компласт», показал, что кинетика
подрастания трещины в образцах ПКС коррелирует с кинетикой, наблюдающейся
для образцов-свидетелей, находящихся в земных условиях. Данные, полученные от
датчиков сопротивления в 1998-2006 гг., свидетельствуют, что за весь период на-
блюдений сопротивление датчиков плавно возрастает, т. е. наблюдается докритиче-
ский рост трещин в образцах, экспонированных как в космических, так и в наземных
условиях. Наиболее стабильные результаты получены для трех образцов (КРТ-2, КРТ-4
и КРТ-14), состав и исходные характеристики которых приведены в табл. 4.3.3.
По данным динамического эксперимента рассчитываются упоминавшиеся выше
G-Vдиаграммы. Методика оценки кинетики докритического роста трещины в ПКС
на основе жестких листовых материалов и псевдоупругих клеевых прослоек базиру-
ется на макро- и микромеханических подходах линейной механики разрушения. Мак-
ромеханический подход позволяет рассчитывать глобальную нагрузку на трещину -
трещинодвижущую силу (ТДС) - при заданной геометрии образца и трещины и усло-
виях нагружения образца [19], а микромеханическая модель - анализировать локаль-
ные деформационные критерии неупругой зоны вблизи вершины трещины [21].
Анализ поведения трещины и ее неупругой зоны вблизи вершины в псевдоуп-
ругом клеевом слое при различных условиях нагружения показал, что стабильный
докритический рост трещины в образцах ПКС может происходить только при посто-
янном раскрытии трещины А, меньшем критического значения. Контролируя докри-
тический рост трещины от начальной длины aQ во времени, по кинетической кривой
#(/) можно рассчитать скорость роста как функцию длины трещины 7(a) и далее най-
ти аналогичную зависимость для ТДС Ci(#) при заданном раскрытии трещины А [19].
Обобщение функций Ci(#) и 7(a) даст кинетическую С-К диаграмму.
Критические параметры устойчивости ПКС к росту трещин были определены
с помощью разрывной машины «Инстрон» при монотонном нагружении со ско-
Таблица 4.3.3
Состав и исходные характеристики трех типов образцов ПКС
Образец Состав ПКС Cjc, Дж-м“2 А, мм аъ мм «0, мм Сю, Дж-м“2 Сю/ С1с
КРТ-2 KACT-K-300-KACT 400 2,4/2,2 13,5/13,3 32/27 305/300 0,53/0,65
КРТ-4 А1-ВК-9-А1 330 5,6/3,1 15,5/12,8 60/31 236/185 0,30/0,45
КРТ-14 А1-ЭПК-1-А1 290 1,6/2,4 13,0/13,9 31/40 229/245 0,55/0,50
В таблице использованы следующие обозначения: G\c - критический параметр трещиностойкости;
А - раскрытие трещины; а3 - длина трещины после нагружения на Земле; а0 - длина трещины после
вывода на орбиту; (7ю - исходная нагрузка на трещину; G\Q/ G\c~ доля исходной нагрузки на трещину
ст критической. В числителе указаны данные для образцов, экспонируемых в космосе, в знамена-
теле - на Земле.
1052
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Рис. 4.3.12. Зависимость длины трещин а
от времени экспозиции t в космосе (♦)
и в земных условиях () для КРТ-14
ростью 0,5 мм-мин-1. При получении вели-
чины G\C клеевых соединений были исполь-
зованы средние значения, полученные при
испытаниях пяти образцов каждого типа.
На рис. 4.3.12 приведены для одного из
образцов (КРТ-14) кинетические кривые
изменения длины трещины в исследовав-
шихся образцах в течение 25 месяцев экспо-
зиции в космических и наземных условиях,
а на рис. 4.3.13а, б - рассчитанные по этим
кривым G- V диаграммы в координатах V-G\
и V— G\/ G\q.
В табл. 4.3.4 приведены параметры к и п
уравнения V= kG", используемого для анали-
тического описания G-Vдиаграмм [19,20].
Значения параметров, указанные в числите-
ле, получены на основании данных космического эксперимента, а в знаменателе -
лабораторного эксперимента.
Сравнивая полученные данные для образцов с различным составом клея, экспо-
нированных в космосе и на Земле, можно отметить, что скорость роста трещины
при одинаковой ТДС наименьшая, а чувствительность к изменению Gj - наиболь-
шая у образцов на основе клея К-300, а у образцов на основе клеев ВК-9 и ЭПК-1
они близки.
Анализ полученных данных показывает, что докритическое подрастание трещины
при выдержке образцов в условиях космического пространства при сравнимых зна-
чениях ТДС происходит со скоростями на 1-2 порядка большими по сравнению с
наземными испытаниями, причем скорость подрастания трещин у клеевых соедине-
ний на основе клея ЭПК-1 выше, чем у клеевых соединений на основе клеев К-300 и
Рис. 4.3.13. G-Идиаграммы в координатах V-G\ (а) и V-G\IG\C (б) для образца КРТ-14,
экспонированного в космосе в течение 25 месяцев (♦) и контрольных образцов-аналогов,
испытанных в земных условиях ()
ГЛАВА 4.3
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ «КОМПЛАСТ»...
1053
Таблица 4.3.4
Параметры (7-Идиаграмм
Клей Средние значения параметров
к п
К-300 3,8-10'18/2,1-10~'7 3,5/3,1
ВК-9 5,1-1О‘2о/2,1-1О‘2° 4,5/4,7
ЭПК-1 7,4-10*19/5,1 -10 20 3,9/4,5
Таблица 4.3.5
Расчетное время до разрушения
образцов
Клей Время до разрушения, с
в космосе в земных условиях
К-300 3,8-109 1,4-Ю9
ВК-9 3,1-109 3,4-109
ЭПК-1 2,3109 3,1-10’
ВК-9. В то же время у образцов, экспони-
рованных на панели «КОМПЛАСТ», ско-
рость докритического роста трещин с уве-
личением ТДС возрастает в меньшей сте-
пени, чем у образцов, экспонированных в
земных условиях, о чем свидетельствуют
данные, приведенные в табл. 4.3.4.
Полученные G- V диаграммы могут
быть использованы для расчета статиче-
ской долговечности ПКС по разработан-
ной методике. Методика базируется на
определении по G- V диаграмме времени,
за которое наибольший дефект в ПКС
докритически подрастет от исходного раз-
мера «о ДО критического ас.
В качестве примера расчета был взят
образец шириной 20 мм при толщине
склеиваемых подложек 5 мм и их модуле
упругости Е = 72 ГПа, находящийся при
нагрузке 670 Н, что составляет 14%, 15% и
12% от значения G\C (критического) для
клеев К-300, ВК-9 и ЭПК-1 соответствен-
но. Для данного образца при выбранной
длине трещины я0 = 40 мм для клеевых соединений, экспонированных в космических
условиях, и образцов-аналогов были рассчитаны времена до разрушения, которые
приведены в табл. 4.3.5. Видно, что образцы-аналоги на основе клея К-300, выдержи-
ваемые в земных условиях, обладают меньшей долговечностью, чем образцы, экспо-
нированные в космосе. Это, по-видимому, обусловлено влиянием атмосферных фак-
торов на материал в вершине трещины, что вызывает его пластификацию и при
большом сроке экспозиции более быстрое распространение трещины при одинаковой
нагрузке с образцом, экспонировавшемся в космическом вакууме. В случае других
клеев долговечность ПКС при экспозиции в космосе несколько меньше, чем в зем-
ных условиях.
В любом случае все образцы, экспонируемые в космических условиях при вы-
бранной нагрузке и длине трещины, за 10 лет эксплуатации нс разрушатся, так как их
расчетная долговечность, в зависимости от типа клея, лежит в области от 50 до
100 лет. Данная методика может быть применена для расчета долговечности любых
типов клеевых соединений при известных условиях их нагружения, размере харак-
терного дефекта и параметрах трещиностойкости материалов.
Исследования кинетики роста трещин являются частью общего комплекса иссле-
дований воздействия ФКП на материалы КА, реализуемого в эксперименте «Ком-
пласт» [27]. Как было указано выше, возвращение на Землю образцов, экспониро-
вавшихся на внешней поверхности МКС, предполагается осуществлять в усовершен-
ствованных транспортных термоконтейнерах, для вскрытия которых в вакууме
создан специальный стенд [28, 29].
1054
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Осуществление эксперимента «Компласт» позволяет получать принципиально
новые данные о комплексном воздействии ФКП на материалы с учетом возникаю-
щих синергических эффектов и на этой основе разрабатывать методы повышения
стойкости материалов, восстановления их свойств в процессе эксплуатации и защиты
КА от воздействия ФКП.
Использование методики долгосрочного прогнозирования стойкости материалов,
создаваемой на основе экспериментальных данных, будет способствовать повыше-
нию надежности и увеличению срока службы перспективных КА.
Полученные результаты явятся основой для подготовки новых технологических
экспериментов и исследовательских программ на дальнейших этапах эксплуата-
ции МКС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Милинчук В.К., Клиншпонт Э.Р., Тупиков В.И. Основы радиационной стойкости органических мате-
риалов. М.: Энергоатомиздат, 1994, 256 с.
2. Van Eesbeek М., Levadou F., Milintchouk A. Workshop, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, May 1995,
p. 403.
3. Milinchuk V.K., Schelukhov I.P., Smirnova T.N. Degradation of polymeric materials under simultaneous
action of space environment factors. Giomate di studio su «Danneggimento e frattura dei materiali in ambi-
ente aerospaziale», Facolta di Ingegneria Aula del Chiosto, Roma, Italy, 26-27 giugno 2001, p. 3.
4. Милинчук В.К., Клиншпонт Э.Р., Шелухов И.П., Смирнова Т.Н., Пасевич О.Ф. Деградация полимер-
ных материалов на низких земных орбитах. Химия высоких энергий, 2004, т. 38, № 1, с. 10-15.
5. Электрические свойства полимеров. Под ред. Сажина Б.И. Л.: Химия, 1970.
6. Ананьева О.А., Милинчук В.К. Химия высоких энергий, 2006, т. 40, № 1.
7. Милинчук В.К., Пасевич О.Ф., Клиншпонт Э.Р., Шелухов И.П., Загорский Д.Л., Смирнова Т.Н. Изме-
нение свойств и структуры поверхности полиимидных пленок при экспонировании на низких земных
орбитах. Высокомолек. соед., 2003, т. 45. № 12, с. 2017.
8. Пасевич О.Ф., Ананьева О.А., Милинчук В.К. Эффекты в полимерах при экспонировании в экстре-
мальных условиях космического пространства. Тез. докл. IX Международной конференции «Безопас-
ность АЭС и подготовка кадров», Обнинск, 2005, с. 86-88.
9. Пасевич О.Ф., Милинчук В.К. Спектроскопическое исследование полиимидных пленок, экспониро-
ванных на низких земных орбитах. Химия высоких энергий, 2005, т. 39, № 6, с. 423.
10. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ПК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии.
М.: Высшая школа, 1971,256 с.
11. Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. М.: Изд-во ACT, 2003, 683 с.
12. Плиев T. Н. Молекулярная спектроскопия. T. 3. Владикавказ: Иристон, 2002.
13. Акишин А.И., Новиков Л.С. Методы имитации воздействия окружающей среды на материалы косми-
ческих аппаратов. М.: Изд-во МГУ, 1986, 96 с.
14. Allegri G., D’Avanzo Р., Palmisano R.M. Proceeding of the Third Workshop on Space Environment Applica-
tions. Ed. Teofillitto P. Castelgrande, Italy, 2000, p. 209.
15. Милинчук B.K., Клиншпонт Э.Р., Шелухов И.П., Смирнова Т.Н. Деградация полимерных материалов
на орбитальной космической станции «Мир». Изв. вузов, Ядерная энергетика, 2002, № 2, с. 108.
16. Ананьева О.А., Милинчук В.К. Материалы XXXIX чтений памяти К.Э. Циолковского. Калуга, 2004,
с. 186.
17. Ананьева О.А., Милинчук В.К. Деградация полиимидных пленок при экспонировании в экстремаль-
ных условиях космического пространства. IV Баховская конференция по радиационной химии,
1-3 июня 2005 г. Тезисы докладов. М., с. 11.
ГЛАВА 4.3
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ «КОМПЛАСТ»...
1055
18. Ананьева О.А., Пасевич О.Ф., Милинчук В.К. Деградация полиимидных материалов на орбитальной
космической станции «Мир». Материалы XL чтений памяти К.Э. Циолковского. Калуга, 2005, с. 183-184.
19. Кинлок Э. Адгезия и адгезивы. Наука и технология. Пер. с англ. М.: Мир, 1991,484 с.
20. Бабаевский П.Г., Кулик С.Г. Трещиностойкость отвержденных полимерных композиций. М.: Химия,
1991,342 с.
21. Williams J.G. Application of Linear Fracture Mechanics. In: Advances in Polymer Sci. Failure in Polymers
Molecular and phenomenological aspects. Springer, Berlin-Heidelberg, № 4, 1978, pp. 67-120.
22. Кулик С.Г., Тростянская Е.Б., Бабаевский П.Г., Боровко В.В. Анализ применимости подхода механики
разрушения для оценки и прогнозирования эксплуатационной долговечности полимерных материалов.
В сб.: Старение полимерных материалов и изделий. Сборник научных трудов Института физико-
технических проблем Севера. Сибирское отделение АН СССР, Якутск, 1986, с. 31-48.
23. Babayevsky P.G., Kozlov N.A., Shubin A.N., Smirnova T.N. Long term LEO environment effect on crack
resistance of adhesively bonded thin polymer composite laminates. 8th International Symposium on Materials
in a Space Environment, Arcachon, France, 5-9 June, 2000.
24. Babayevsky P.G., Kozlov N.A., Shubin A.N., Tchurilo I.V., Smirnova T.N. Techniques and instrumentation
for development of space experiments on polymer materials. Aircraft Engineering and Aerospace Technol-
ogy: An International Journal, v. 73, № 4, 2001, pp. 367-373.
25. Кардашов Д.А. Синтетические клеи. M.: Химия, 1976, 503 с.
26. Бабаевский П.Г., Козлов Н.А., Шубин А.Н., Смирнова Т.Н., Новиков Л.С., Черник В.Н. Кинетика док-
ритического роста трещины и G-V диаграммы клеевых соединений при длительном воздействии фак-
торов космического пространства. Перспективные материалы, № 2, 2003, с. 17-23.
27. Новиков Л.С., Черник В.Н., Бабаевский П.Г., Козлов Н.А., Чалых А.Е., Балашова Е.В., Смирнова Т.Н.
Воздействие атомарного кислорода на углепластик КМУ-4Л и защитное покрытие для него при лабо-
раторной имитации длительного полета в ионосфере. Перспективные материалы, 2001, № 5, с. 20-26.
28. Новиков Л.С., Черник В.Н., Соловьев Г.Г., Смирнова Т.Н., Александров Н.Г. и др. Способ оценки
стойкости материалов космической техники к воздействию факторов космического пространства. Па-
тент РФ на изобретение № 2238228, 7B64G1/66, G01N33/03, 20.10.2004. Бюл. № 29.
29. Смирнова Т.Н., Александров Н.Г., Рожков М.Ю., Новиков Л.С., Черник В.Н. Переносной герметичный
контейнер. Патент РФ на изобретение № 2259311,27.08.2005.
ГЛАВА 4.4
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТОЙКОСТИ
ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
К ВОЗДЕЙСТВИЮ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Деев И.С.1; Никишин Е.Ф.2
1 Всероссийский институт авиационных материалов
2 ГКНПЦ им. М.В. Хруничева
Список сокращений
ОС орбитальная станция
ПКМ полимерные композиционные материалы
ТРП терморегулирующие покрытия
ФКП факторы космического пространства
ВВЕДЕНИЕ
При разработке долговременных орбитальных станций (ОС) возрастает значение
полимерных композиционных материалов (ПКМ) конструкционного назначения. Эти
материалы отличаются высокой удельной прочностью и жесткостью, усталостной и
длительной прочностью, стойкостью к воздействию различных эксплуатационных
факторов [1-4]. Вопросы стойкости материалов космических аппаратов (КА) в усло-
виях длительного пребывания на околоземных орбитах, проблемы долговременной
стабильности структуры и свойств ПКМ постоянно находятся в центре внимания
разработчиков и испытателей космической техники [4, 5].
В условиях космического пространства на материалы и конструкции действует
комплекс факторов, главными из которых являются высокий вакуум, ионизирующие
ГЛАВА 4.4 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТОЙКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ...1057
космические излучения, солнечное ультрафиолетовое (УФ) излучение, термоцикли-
рование и атомарный кислород. Воздействие этих факторов носит комплексный ха-
рактер, что может приводить к возникновению эффектов синергизма. Это обстоя-
тельство представляет собой принципиальное препятствие на пути создания имита-
торов космической среды и не позволяет обходиться без натурных испытаний при
разработке и оценке свойств материалов КА.
На ОС «Салют-6», выведенной 29.09.1977 г., «Салют-7» (19.03.1982) и модуле
«Квант» ОС «Мир» (19.03.1983) в составе съемных кассет были проведены натурные
испытания образцов ПКМ, которые после их возвращения на Землю исследовались в
лабораторных условиях. В настоящей главе представлены полученные методами ска-
нирующей электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа ре-
зультаты [4-7], дающие наиболее наглядное представление об изменениях образцов
материалов при экспонировании в условиях космической среды.
4.4.1. Исследования стойкости образцов композиционных материалов
4 .4.1.1. Методика исследований
На ОС «Салют» и «Мир» было проведено изучение влияния длительной экспози-
ции в условиях космического пространства на физико-химические характеристики
образцов ПКМ, помещенных в съемные кассеты «Компласт». Объектами исследова-
ния служили эпоксидный стеклопластик ВПС-7, полиимидный углепластик КМУ-2,
эпоксидные углепластики КМУ-Зл и КМУ-4л размером 60x8x2 мм в количестве 10
каждого наименования, КМУ-Зл и КМУ-4л размером 60x60x2 мм в количестве 2
каждого наименования, а также клееные образцы комбинаций материалов
ВПС-7/ВПС-7, ВПС-7/КМУ-Зл, КМУ-Зл/КМУ-Зл, КМУ-4л/КМУ-4л, КМУ-4л/ВПС-7,
КМУ-4л/АМг6 и АМг6/КМУ-4л размером 60x8x4 мм в количестве 10 каждого
наименования. Образцы ПКМ размером 60 х 60 х 2 мм, укрепленные в двух кассетах
и расположенные на внешней поверхности ОС, экспонировались с разными сроками до
1501 суток. Края всех образцов были экранированы кассетой, а образцы углепластика
КМУ-2 - алюминиевой фольгой толщиной 30 мкм. Клееные образцы были обращены
в окружающее пространство поверхностью материалов, указанных первыми. После
каждого срока экспозиции кассеты с образцами поочередно снимались и переноси-
лись в отсеки ОС, а затем возвращались на Землю для проведения исследований.
Кроме того, объектами исследований являлись образцы указанных выше углепла-
стиков с нанесенными на них терморегулирующими покрытиями (ТРП). Такие об-
разцы экспонировались в течение 839, 1 024 и 1218 суток в составе съемных кассет
«Компласт» на внешней поверхности модуля «Квант-2» ОС «Мир», после чего воз-
вращались на Землю. В состав образцов входили белые ТРП различного состава: по-
лимерные (акриловое, эпоксидное, кремнийорганическое), неорганическое (на основе
жидкого стекла), а также алюминиевая фольга толщиной 30 мкм, наклеенная снару-
жи. Подложками для покрытий служили эпоксидные углепластики КМУ-4 в виде
пластин 60 х 60 х 2 мм и КМУ-Зл в виде обшивок в составе трехслойных сотовых об-
разцов 60 х 60 х 10 мм. Перед нанесением покрытий трехслойные образцы с обшив-
ками из углепластика КМУ-Зл и КМУ-4л имели дополнительную термостабилиза-
1058
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
цию, что способствовало удалению содержащихся в них летучих веществ (воздуха,
сорбированных паров воды, остатков органического растворителя).
Потери массы исследуемых материалов определялись гравиметрически, а оценка
состояния поверхности образцов до и после натурной экспозиции в космосе прово-
дилась методами оптической и сканирующей электронной микроскопии и рентгено-
спектрального микроанализа. Микроструктурный анализ проводился на сканирующем
электронном микроскопе JSM-35C компании JEOL и оптическом микроскопе МБС-10
при различных масштабах увеличения (от х 30 до х 5 000). Перед исследованием струк-
туры в сканирующем электронном микроскопе поверхность образцов металлизирова-
лась методом ионного напыления слоя золота толщиной 15-20 нм в вакуумной уста-
новке JFC-1100 FINE COAT (JEOL), Химический состав поверхностного слоя защитных
покрытий в исходных образцах и прошедших натурные испытания в космосе опре-
деляли методом рентгеноспектрального микроанализа на микроанализаторе JXA-840
компании JEOL с энергодисперсионным детектором фирмы LINK [1-3, 8].
4 .4.1.2. Результаты исследований
На рис. 4.4.1 представлены результаты измерений потери массы исследуемых ма-
териалов [3]. Проведенные исследования показали, что наибольшие потери массы по
наружной поверхности образцов при экспонировании наблюдаются у углепластиков
КМУ-Зл (2) и КМУ-Зл/КМУ-Зл (8), а также КМУ-4л (4). При этом темп потери мас-
сы наиболее высок (4) в начальный период полета (102 суток), после чего темп поте-
ри массы стабилизируется, что не может быть выявлено при натурных исследованиях
с одним сроком экспозиции.
Рис. 4.4.1. Гистограммы потери массы с поверхности образцов ПКМ после длительного
пребывания в космическом пространстве на ОС «Салют-6» (304, 686 суток), «Салют-7»
(102,456‘, 1 501 суток) и «Мир» (1 024* суток): 1 - ВПС-7; 2 - КМУ-Зл; 3 - КМУ-Зл,
установлен под образцом 2; 4 - КМУ-4л; 5 - КМУ-4л, установлен под образцом 4;
6 - ВПС-7/ВПС-7; 7 - ВПС-7/КМУ-Зл; 8 - КМУ-Зл/КМУ-Зл; 9 - КМУ-4л/КМУ-4л;
10 -КМУ-4л/ВПС-7; 11 - КМУ-4л/АМг6; 12 - АМг6/КМУ-4л
(* кассеты были установлены на место снятых кассет в процессе полета)
ГЛАВА 4 4 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТОЙКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ...
1059
Наиболее устойчивым к воздействию факторов космического пространства
(ФКП) по приведенным результатам исследований является стеклопластик ВПС-7 (1),
ВПС-7/ВПС-7 (6), характеризуемый наименьшей потерей массы. Для клееных ком-
позиций с набором различных материалов наблюдается увеличение потери масс с
наружной экспонированной поверхности ПКМ за счет возникающих в различных
материалах в процессе полета напряжений вследствие длительного термоциклирова-
ния. Это образцы ВПС-7/КМУ-Зл (7), КМУ-4л/ВПС-7 (10) и КМУ-4л/АМг6 (И).
Подтверждением того, что потеря масс происходит в основном на наружной экспо-
нированной поверхности, является значительное уменьшение потери массы образца-
ми КМУ-Зл (3) и КМУ-4л (5) за 1 024 суток экспозиции по сравнению с находивши-
мися над ними образцами КМУ-Зл (2) и КМУ-4 (4) (см. рис. 4.4.1).
Далее приведены результаты исследований влияния длительной (до 1 501 суток)
экспозиции в условиях космического пространства на ОС «Салют-6», «Салют-7» и
«Мир» на микроструктуру ПКМ.
Микроструктура поверхности образ-
цов стеклопластика ВПС-7 до и после
экспозиции в течение 686 суток показана
на рис. 4.4.2. Видно, что после экспози-
ции на лицевой поверхности наблюда-
ется эрозия смоляной пленки эпоксид-
ного связующего, обнажаются стекло-
волокна, которые практически не имеют
повреждений, при ЭТОМ толщина уне- Рис. 4.4.2. Микроструктура поверхности
сенного СЛОЯ полимерной матрицы не стеклопластика ВПС-7 до (а) и после (б)
превышает 10 МКМ. 686 СУТОК экспозиции в космосе; х 2 000
Структура поверхности углепластика КМУ-4л до и после 1 024 суток экспозиции
в космосе показана на рис. 4.4.3. Поверхность исходного образца (рис. 4.4.3а) покры-
та сплошной пленкой полимерной матрицы, в которой очень слабо выступают угле-
родные волокна и не содержится дефектов в виде пор и трещин.
После 1 024 суток экспозиции (рис. 4.4.36) лицевая часть подверглась травлению
и эрозии. Разрушение пленки происходит неравномерно, в одних местах она частич-
но сохраняется, а в других травится и удаляется, в результате чего некоторые волок-
на оголяются и вдоль них начинается образование микротрещин. На поверхности
углепластика в отдельных местах наблюдается появление тонкого конденсированно-
го налета с участками волокнистой (рис. 4.4.3в) и пленочной (рис. 4.4.3г) структуры
Рис. 4.4.3. Структура поверхности углепластика КМУ-4л
до (а) и после (б, в, г) 1024 суток экспозиции в космосе; х 2 000
1060
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Рис. 4.4.4. Структура поверхности стеклопластика ВПС-7 в клееных образцах ВПС-7/ВПС-7 (а, в, г)
и ВПС-7/КМУ-Зл (б) после экспозиции 1 501 суток; х2000
серого цвета с фиолетовым отливом, в результате чего частично уменьшается эрози-
онное разрушение матрицы при длительной натурной экспозиции. Конденсированная
пленка с толщиной в пределах 0,1-0,5 мкм со слабой адгезией к поверхности угле-
пластика имеет рыхлую структуру, диаметр волокнистых образований не превышает
0,1 мкм. Как показал рентгеноспектральный микроанализ, материал пленки состоит из
оксида кремния, причем с увеличением времени экспозиции скорость реакции окис-
ления поверхности материала падает, что объясняется образованием на поверхности
слоя оксидов, через который должен диффундировать атомарный кислород.
Структура поверхности стеклопластика ВПС-7/ВПС-7 после экспозиции в тече-
ние 1 501 суток для различных участков образца показана на рис. 4.4.4а, в, г. Здесь
имеет место увеличение зернистости в структуре смоляной пленки. На поверхности
образца ВПС-7/КМУ-Зл (рис. 4.4.46), экспонировавшегося 1 501 суток, наблюдается
значительный унос смоляной пленки, что подтверждают данные по потере массы
(см. рис. 4.4.1, поз. 7). Из рис. 4.4.46 видно, что после экспозиции ВПС-7/КМУ-4л
наблюдается значительная эрозия смоляной пленки эпоксидной матрицы с поверхно-
сти образца и обнажение стеклянных волокон, что вызвано поверхностными напря-
жениями в наружных слоях стеклопластика при длительном термоциклировании
клееных разнородных материалов.
На рис. 4.4.5 приведены микрофотографии поверхностей экспонировавшихся
1 501 суток клееных образцов КМУ-Зл/КМУ-Зл:
• рис. 4.4.5а - лицевая поверхность с явно выраженной деградацией и эрозией
матрицы и волокон;
• рис. 4.4.56 - частично экранированная поверхность переходной зоны с началь-
ной эрозией смоляной пленки;
Рис. 4.4.5. Структура поверхности клееных образцов углепластика КМУ-Зл/КМУ-Зл (а, б, в)
и стеклопластика ВПС-7 в клееном образце ВПС-7/КМУ-Зл (г) после 1 501 суток: х2000
ГЛАВА 4.4 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТОЙКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ...
1061
Рис. 4.4.6. Структура поверхности углепластика КМУ-4л после 1024 суток экспозиции в космосе:
а - лицевая поверхность клееных образцов КМУ-4л/КМУ-4л; б - лицевая поверхность клееных
образцов КМУ-4л/ВПС-7; в - лицевая поверхность образцов КМУ-4л/АМг-6; г - лицевая
поверхность (закрытая кассетой) образцов КМУ-4л/АМг-6; х2000
• рис. 4.4.5в - внутренняя поверхность без видимых следов повреждения;
• рис. 4.4.5г - ВПС-7/КМУ-Зл - наружная поверхность ВПС-7 клееного образца
с выраженным уносом пленки матрицы.
На рис. 4.4.6 приведены микрофотографии поверхности углепластика КМУ-4л в
экспонировавшихся в космосе в течение 1 024 суток клееных образцах:
• рис. 4.4.6а - лицевая поверхность КМУ-4л/КМУ-4л имеет деструкцию и эро-
зию матрицы, под остатками частиц которой заметны углеродные волокна, мик-
ротрещины отсутствуют;
• рис. 4.4.66 - лицевая поверхность КМУ-4л/ВПС-7 в результате деструкции и
эрозии матрицы изменилась значительно сильнее, чем на предыдущем образце,
углеродные волокна оголены, заметны следы их травления, возникают микро-
трещины на поверхности раздела между матрицей и волокном, выявляется не-
однородная структура матрицы с появлением в отдельных местах конденсиро-
ванного налета;
• рис. 4.4.6в - в структуре лицевой поверхности КМУ-4л/АМг-6, характеризуе-
мого наибольшей потерей массы, наблюдаются еще более значительные изме-
нения в результате деструкции и эрозии матрицы, травление углеродных воло-
кон в поперечном направлении, наличие микротрещин на поверхности раздела
«матрица-волокно» и имеющаяся снаружи более разреженная конденсирован-
ная сетчатая пленка;
• рис. 4.4.6г - лицевая поверхность КМУ-4л/АМг-6, находившаяся в зоне, за-
крытой конструкцией кассеты, по структуре близка к исходному состоянию
контрольного образца, однако при этом четко проявляется наличие микротре-
щин вдоль направления волокон по всей поверхности, что можно объяснить
наличием в поверхностных слоях напряжений, вызванных длительным термо-
циклированием образцов разнородных клееных материалов.
4.4.2. Исследования стойкости терморегулирующих покрытий
Как уже указывалось, в программу проведения космического эксперимента на
съемных кассетах были включены исследования длительной стойкости различных
ТРП, нанесенных на образцы углепластиков и на углепластиковые обшивки в трех-
слойных сотовых конструкциях. Образцы с нанесенными ТРП прошли натурные ис-
1062
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
пытания со сроками экспозиции 839, 1 024 и 1 218 суток в составе выставляемых кас-
сет на внешней поверхности модуля «Квант-2» ОС «Мир». Ниже представлены ре-
зультаты послеполетных исследований таких образцов.
Дана сравнительная оценка состояния поверхности белых ТРП на основе акрило-
вого и эпоксидного полимеров до испытаний и после 839 и 1218 суток экспозиции, а
также ТРП на основе кремнийорганического полимера, неорганического покрытия на
основе жидкого стекла и алюминиевой фольги после 1 024 суток экспозиции в космо-
се. Отдельные образцы с одинаковым типом покрытия экспонировались один под
другим с расположением покрытия на верхнем образце в наружную сторону, а на
нижнем - в сторону модуля, что позволило сравнить состояние покрытий при раз-
личных условиях воздействия ФКП.
Подложками для покрытий служили эпоксидные углепластики КМУ-4л в виде
пластин размерами 60 х 60 х 2 мм и КМУ-Зл в виде обшивок трехслойных сотовых
образцов размерами 60 х 60 х 10 мм. Перед нанесением покрытий трехслойные образ-
цы с обшивками из углепластика КМУ-Зл имели дополнительную термостабилиза-
цию, что способствовало удалению содержащихся в них летучих веществ (воздуха,
сорбированных паров воды, остатков органического растворителя и др.). Углепла-
стик КМУ-Зл для обшивки сотовых образцов имел большую степень термостабили-
зации, чем углепластик КМУ-4л.
Эпоксидное покрытие
Для исходного белого эпоксидного покрытия на углепластике КМУ-4л характерна
однородная структура поверхности (рис. 4.4.7а, б). Частицы порошкообразного на-
полнителя (светлые участки) сравнительно равномерно распределены в пленкообра-
зующем полимере, они имеют округлую форму, а их размеры не превышают 1 мкм.
Микротрещины, отслоения и другие дефекты в исходном покрытии отсутствуют. По
данным рентгеноспектрального микроанализа, в состав поверхностного слоя эпоксид-
ного покрытия входят, главным образом, соединения титана (двуокись титана) и зна-
чительно меньше соединений кремния, магния и алюминия. Микроструктура и эле-
ментный состав экранированной другим образцом поверхности эпоксидного покрытия
после 1218 суток экспозиции в космосе практически не изменились (рис. 4.4.7в, г).
На образцах углепластика КМУ-4л (рис. 4.4.8а, б) в покрытии появляются ло-
кальные макродефекты в виде трещин с частичным отслоением покрытия, чешуйча-
Рис. 4.4.7. Микроструктура исходной (а, б) и экранированной другим образцом поверхности
белого эпоксидного покрытия на углепластике КМУ-4л после 1218 суток экспозиции (в, г):
а, в - х 2 000; б, г - х 5 000
ГЛАВА 4 4 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТОЙКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ...
1063
Рис. 4.4.8. Общий вид поверхности эпоксидного (а, б, в) и акрилового (г) защитных покрытий
на образцах углепластика КМУ-4л до (а) и после 1218 суток (б, в, г) натурной экспозиции; х 1
тые вспучивания и кольцевые отслоения от поверхности углепластика. Следует от-
метить, что локальное вспучивание и отслоение пленки покрытия происходит и на
образцах углепластика КМУ-4л, экранированных другими образцами (рис. 4.4.8в, г),
но в значительно меньшей степени, чем на открытых.
По данным электронно-микроскопических исследований установлено, что экра-
нирование во время экспозиции в течение 1218 суток образца углепластика КМУ-4л
с эпоксидным покрытием другим подобным образцом практически полностью за-
щищает поверхность покрытия от деградации и эрозии (рис. 4.4.8в). Имеющиеся
вспучивания возможны от воздействия летучих веществ, выделяющихся из углепла-
стика КМУ-4 в начальный период экспозиции.
В открытом образце поверхность покрытия, закрытая во время 1218 суток экспо-
зиции рамкой кассеты (рис. 4.4.9а), покрылась сеткой хаотично расположенных микро-
трещин, но пленка матрицы, в которой распределены частицы наполнителя, сохраняет-
ся (рис. 4.4.96). В отличие от закрытой рамкой поверхности, на открытой поверхности
покрытия пленкообразующий эпоксидный полимер подвергается деградации и эро-
зии, вследствие чего частицы наполнителя оголяются, что приводит к уменьшению
прочности их сцепления с поверхностью, и они частично удаляются (рис. 4.4.9в, г).
Сравнительные исследования исходной (рис. 4.4.10а) и экспонированной
(рис. 4.4.106-г) поверхностей эпоксидного покрытия на углепластиковой (КМУ-Зл)
обшивке в трехслойном сотовом образце показали, что после 839 (рис. 4.4.106, в) и
1218 (рис. 4.4.10г) суток экспозиции на ОС «Мир» его микроструктура и элементный
состав изменяются так же, как и на углепластике КМУ-4л (см. рис. 4.4.7).
Рис. 4.4.9. Микроструктура поверхности белого эпоксидного покрытия на углепластике КМУ-4л
после 1218 суток экспозиции: а - поверхность, закрытая рамкой кассеты, х200;
б - то же, х 2 000; в - открытая поверхность, х 2 000; г - то же, х 5 000
1064
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Рис. 4.4.10. Микроструктура поверхности белого эпоксидного покрытия на углепластиковой
(КМУ-Зл) обшивке в трехслойном сотовом образце до (а) и после 839 (б, в)
и 1218 (г) суток экспозиции на ОС «Мир»; х2000
Акриловое покрытие
Структура поверхности акрилового покрытия на углепластиковой (КМУ-Зл) об-
шивке в трехслойном сотовом образце до экспозиции в космосе (рис. 4.4.11а) не со-
держит макро- и микродефектов, частицы порошкообразного наполнителя распреде-
лены равномерно. Рентгеноспектральный анализ этого покрытия показал, что для
него характерно содержание соединений титана и алюминия, которые входят в сос-
тав наполнителя.
Визуальный осмотр образцов акрилового покрытия на углепластике КМУ-4 и уг-
лепластиковой (КМУ-Зл) обшивке в трехслойных сотовых образцах, экспонирован-
ных в течение 839 и 1 218 суток, показал, что оно сохраняется на большинстве образ-
цов без видимых макродефектов. В то же время на образцах углепластика КМУ-4л с
акриловым покрытием, имеющих меньшую степень термостабилизации, так же как и
с эпоксидным, встречаются, хотя и реже, макродефекты в виде чешуйчатого вспучи-
вания и трещин с отслоением локальных участков (см. рис. 4.4.8г).
Электронно-микроскопические исследования образцов акрилового покрытия на
углепластике КМУ-Зл после 839 суток экспозиции в космосе подтвердили его устой-
чивость к воздействию ФКП (рис. 4.4.116), так как тонкая структура покрытия изме-
няется незначительно (происходит только слабая эрозия полимерной пленки и незна-
чительное оголение частиц наполнителя). Вследствие стабильности структуры акри-
лового покрытия после экспозиции в течение 839 суток в космосе его элементный
состав практически не отличается от исходного, Увеличение срока экспозиции до
1218 суток (рис. 4.4.11в, г) приводит к появлению на поверхности покрытия от-
Рис. 4.4.11. Микроструктура поверхности белого акрилового покрытия на углепластиковой
(КМУ-Зл) обшивке в трехслойном сотовом образце до (а) и после 839 (б)
и 1218 (в, г) суток экспозиции; х 2 000
ГЛАВА 4.4 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТОЙКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ...
1065
дельных микротрещин и некоторому увеличению эрозии полимерной пленки, од-
нако элементный состав поверхностного слоя изменился мало - появилось только
небольшое количество соединений с кремнием.
Аналогичный характер структурных
превращений акрилового покрытия на
макро- и микроуровнях наблюдается
после 839 суток экспозиции в космосе
на образцах углепластика КМУ-4л как
на открытой поверхности (рис. 4.4.12а),
так и экранированной другим образцом
(рис. 4.4.126). В элементном составе по-
крытия, содержащего соединения титана,
алюминия и кремния, на экранирован-
ной поверхности наблюдается появле-
ние небольшого количества цинка, со-
держание которого на открытой поверх-
ности покрытия несколько больше.
Рис. 4.4.12. Микроструктура открытой (а)
и экранированной другим образцом (б)
поверхности белого акрилового покрытия
на углепластике КМУ-4л после 839 суток
экспозиции; х2000
Кремнийорганическое покрытие
Для данного покрытия до экспозиции в космосе характерна микрогетерогенная
структура (рис. 4.4.13а), в которой сплошная дисперсионная среда (кремнийоргани-
ческий полимер) содержит многочисленные включения дисперсной фазы (частицы
порошкообразного наполнителя). Поверхность покрытия имеет шероховатость за
счет выступающих частиц и их агрегатов дисперсного наполнителя. Размеры таких
частиц достигают I мкм, а их агрегатов - до 10-15 мкм. После 1 024 суток экспози-
ции сотовых образцов в космосе на поверхности крсмнийорганического покрытия
появилась сетка микротрещин (рис. 4.4.136), однако его тонкая структура также за-
метно изменилась, стала более рыхлой и неоднородной (рис. 4.4.1 Зв). Следует от-
метить, что после длительного пребывания в открытом космосе каких-либо новых
элементов структуры на поверхности покрытия не обнаружено. При рентгеновском
энергодисперсионном микроанализе этого покрытия, прошедшего длительную экс-
позицию в космосе, выявлено, что оно содержит соединения кремния и циркония
(кремний является основой полимерной матрицы, а цирконий входит в состав по-
рошкообразного наполнителя).
Рис. 4.4.13. Микроструктура поверхности белого кремнийорганического
ТРП на углепластиковой (КМУ-Зл) обшивке в трехслойном сотовом
образце до (а) и после 1024 суток экспозиции (б, в): а, б - х 2 000; в - х 30
1066
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Неорганическое покрытие
Неорганическое ТРП на основе жидкого стекла на поверхности углепластика
КМУ-Зл до экспозиции в космосе (рис. 4.4.14а) имеет однородную структуру, со-
стоящую из рыхло упакованных мелкодисперсных (менее 1 мкм) частиц наполнителя
анизометрической формы. Встречаются, хотя и редко, также частицы наполнителя
и более крупного размера (до 10 мкм), а также отдельные микротрещины. После
1 024 суток экспозиции в космосе струк-
тура неорганического покрытия изме-
нилась незначительно (рис. 4.4.146). На
поверхности покрытия форма и разме-
ры частиц мелкодисперсного наполни-
теля сохранились без изменений, мик-
ротрещины отсутствуют, следов воз-
действия микрометеорных частиц или
конденсированного налета не обнаруже-
но. По данным рентгеноспектрального
микроанализа неорганическое покрытие
содержит в своем составе большое ко-
личество соединений, в которые входят
атомы кремния, цинка и калия, а также,
Рис. 4.4.14. Микроструктура поверхности
неорганического ТРП на углепластиковой
(КМУ-Зл) обшивке в трехслойном сотовом
образце до (а) и после 1024 суток (б)
экспозиции; х2000
в меньшем количестве, - хлор- и титансодержащие соединения. Известно, что крем-
ний и калий являются основой жидкого стекла, входящего в покрытие, а наличие
цинка и титана указывает на содержание в нем мелкодисперсных наполнителей (ок-
сидов цинка и титана), придающих покрытию белый цвет.
Алюминиевая фольга
Макроструктура алюминиевой фольги на тыльной поверхности образцов углепла
стиков КМУ-4 и КМУ-Зл после 1218 суток экспозиции в космосе значительно изме
нилась На фольге образовались округлые отслоения (рис. 4.4.15а) и складки, повто
ряющие конфигурацию сотовых ячеек (рис. 4.4.156).
Элементный состав поверхности обшивки с алюминиевой фольгой после экспози
ции в космосе практически не изменился
ния и небольшой примеси кремния.
Наблюдаемые изменения макро-
структуры поверхности покрытий (эпок-
сидного, акрилового и алюминиевой
фольги) связаны, очевидно, с выделени-
ем из углепластиков в условиях космоса
газообразных низкомолекулярных со-
единений (воздуха, сорбированных па-
ров воды, остатков органического рас-
творителя и других летучих веществ),
которые не могут диффундировать через
пленку покрытия или фольгу вследст-
вие их высокой герметичности (низкой
и определяется только содержанием алюми-
Рис. 4.4.15. Макроструктура поверхности
алюминиевой фольги на углепластике КМУ-4
после 1218 суток экспозиции:
а - х4; б - х20
ГЛАВА 4.4 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТОЙКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ... 1067
газопроницаемости). Выделяющиеся газообразные вещества накапливаются под по-
крытием в процессе длительного пребывания в космосе, нарушают его адгезию к
поверхности углепластика, вследствие чего образуются вздутия, локальные отслое-
ния и трещины. На микроуровне деградация покрытий под действием ФКП начина-
ется с образования сетки микротрещин в пленкообразующем полимере, его эрозии,
что приводит к оголению находящихся на поверхности частиц порошкообразного
наполнителя. По всей вероятности, растрескивание покрытий связано с большими
внутренними напряжениями, возникающими в материале в процессе длительной экс-
позиции в космосе с большим количеством термоциклов (18 термоциклов за одни
сутки полета) из-за различий коэффициентов линейного термического расширения и
эластичности покрытия и углепластика, на поверхность которого оно нанесено.
ЛИТЕРАТУРА
1. Deev I.S., Nikishin E.F. Effect of outer space factors on the polymer composite structure under long-term
staying conditions in the nearearth orbit. Space Forum, Moscow, May 1996. OPA, v. 1, pp. 297-302.
2. Deev I.S., Nikishin E.F. Effect of long-term exposure in the space environment on the microstructure of fibre-
reinforced polymers. Composites Science and Technology, 1997, v. 57, pp. 1391-1401.
3. Shalin R.E., Minakov V.T., Deev I.S., Nikishin E.F. Study of polymer composite specimens surface changes
after the long-term exposure in space. Proceedings of the 7th International Symposium on «Materials in space
environment». Toulouse, France, 16-20 June 1997.
4. Барбашов E.A., Душин М.И., Ивонин Ю.Н., Козин В.И., Никишин Е.Ф., Паншин Б.И., Перов Б.В. Неко-
торые результаты испытаний полимерных материалов после экспонирования в условиях открытого кос-
моса. В кн.: Космическая технология и материаловедение. Отв. ред. Охотин А.С. М.: Наука, 1982, с. 78.
5. Гуняев Г.М., Душин М.И., Ивонин Ю.Н., Квачева Л.А., Михайлов В.В., Никишин Е.Ф., Старцев О.В.
Влияние натурной экспозиции в космосе на физико-механические свойства углепластика. Механика
композит, материалов, 1983, № 2, с. 211.
6. Startsev O.V., Nikishin E.F. Structure and properties of polymeric composite materials during 1501 days
outer space exposure at «Salut-7» orbital station. In: Proc, of the Third LDEF Symposium, Williamsburg,
Wirginia, November 1993, pp. 8-12.
7. Startsev O.V, Nikishin E.F. Properties of adhesive compounds of polymeric composite materials and thermo-
plastic polymers during 1501 days of outer space exposure. In: Proc, of the Sixth International Symposium on
Materials in a Space Environment. ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 19-23 September 1994, pp. 223-235.
8. Kablov E.N., Minakov V.T., Deev I.S., Nikishin E.F. Study of polymer specimen coating resistance after the
long term exposure on MIR space complex. In: Proc. 6th international conference on Protection of Materials
and Struktures from Space Environment. Toronto, Canada, May 1-3, 2002, pp. 217-234.
ГЛАВА 4.5
ИЗМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПОЗИЦИИ В КОСМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Бабаевский П.Г.1, Козлов Н.А.1; Чурило И.В.2, Слагода В.В.2
1 «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского
2 РКК «Энергия» им. С.П. Королева
Список сокращений
КА космический аппарат
ОС орбитальная станция
ПКМ полимерные композиционные материалы
УФИ ультрафиолетовое излучение
ФКП факторы космического пространства
ВВЕДЕНИЕ
Диэлектрические свойства полимеров и полимерных композиционных материа-
лов (ПКМ), используемых в конструкции космических аппаратов (КА), могут сильно
изменяться в результате воздействия на материалы окружающей космической среды.
В качестве основных контролируемых параметров указанных материалов можно рас-
сматривать тангенс угла диэлектрических потерь и проводимость, а также емкость
образцов (диэлектрических ячеек), изготовленных в виде плоских конденсаторов.
Эти параметры и их температурные и частотные зависимости чрезвычайно чувстви-
тельны к воздействию факторов космического пространства (ФКП), способных вы-
ГЛАВА 4.5
ИЗМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ И...
1069
зывать как образование и накопление электрических зарядов, так и химические или
физические превращения исследуемых материалов [1-4].
Поэтому дистанционный контроль температуры и диэлектрических параметров
ячеек при заданной частоте открывает широкие возможности для изучения структур-
ной деградации ПКМ при воздействии ФКП. Очевидно, что при натурных экспери-
ментах измерения диэлектрических параметров ячеек необходимо проводить непо-
средственно в условиях воздействия ФКП, так как возврат образцов в наземные ус-
ловия и оценка диэлектрических параметров в лаборатории не дадут представлений
об их реальном поведении вследствие влияния атмосферы как на концентрацию и
распределение зарядов в образцах, так и на состав, структуру и состояние материала.
Лабораторные имитационные эксперименты по изучению воздействия ФКП целесо-
образно проводить для выявления влияния отдельных ФКП или синергических эф-
фектов при заданном их сочетании, а натурные эксперименты - при исследовании
комплексного воздействия реальных ФКП.
В литературе имеются сведения о способности полимерных материалов к стати-
ческой электризации и возникновению электрических разрядов в космических ус-
ловиях [1-3], а также по использованию диэлектрических методов, в частности,
методов диэлектрической спектроскопии (определения температурно-частотных
зависимостей диэлектрических свойств) для исследования химических и физиче-
ских (фазовых и релаксационных) превращений и переходов в полимерных мате-
риалах и их компонентах в различных условиях, а также для оценки состава окру-
жающей среды по сорбции/десорбции низкомолекулярных веществ в них [4-8].
Применительно к космическим исследованиям в литературе отмечается важность
контроля диэлектрических свойств, в первую очередь проводимости полимерных
материалов и возникающих на них зарядов, при защите орбитальных станций (ОС)
и КА от статической электризации [1-3, 9]. Описан пример использования ди-
электрических микродатчиков на основе системы «металл-оксид-полупроводник»
для подсчета ударов микрометеороидов [10]. Однако систематические данные о
влиянии ФКП на параметры диэлектрических ячеек или датчиков непосредствен-
но в условиях воздействия имитирующих или натурных ФКП в литературе отсут-
ствуют.
В настоящей главе дано описание методики и аппаратуры «ЭРЭ», а также приве-
дены сравнительные данные об изменении диэлектрических свойств эпоксиаминных
полимеров и композиционных материалов на их основе в процессе наземных испы-
таний в условиях, имитирующих влияние ФКП, и в условиях длительных динамиче-
ских экспериментов путем выдержки аппаратуры «ЭРЭ» за бортом ОС «Мир». Пока-
зано, что влияние ФКП приводит как к обратимым изменениям диэлектрических
свойств, связанным с температурными эффектами и влиянием заряженных частиц,
так и к необратимым, обусловленным удалением низкомолекулярных компонентов
из состава связующих в вакууме и увеличением густоты полимерной сетки под дей-
ствием термоциклирования и различных типов излучений. Установлено, что влияние
ультрафиолетового излучения (УФИ) обусловлено, в первую очередь, изменением
температуры образцов, а облучения потоком электронов - накоплением и стоком
зарядов.
1070
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
4.5.1. Объекты и методики исследований
Исследования влияния длительного воздействия натурных ФКП на диэлектриче-
ские параметры образцов проводили в космическом эксперименте на ОС «Мир»,
продолжавшемся в течение 10 лет с помощью аппаратуры «ЭРЭ». Аппаратура «ЭРЭ»,
разработанная для длительных испытаний полимерных материалов в условиях кос-
моса, позволяет дистанционно контролировать температуру образцов, их емкость С и
проводимость G, по которым рассчитывается тангенс угла диэлектрических потерь
tg 5. Аппаратура позволяет передавать получаемые данные с помощью телеметрии на
Землю для дальнейшей обработки [11-14].
В аппаратуре «ЭРЭ» использовали диэлектрические ячейки в виде плоскопарал-
лельного конденсатора, состоящего из двух медных пластин (электродов) размером
60 х 75 мм, между которыми располагался исследуемый материал. Одна из пластин
перфорирована большим числом (180) отверстий диаметром 4 мм, обеспечивающих
доступ ФКП к исследуемому материалу (рис. 4.5.1). К электродам припаяны провод-
ники, которые соединяются с измерительным прибором
Исследуемыми материалами служили модельные отвержденные эпоксиаминные
композиции как типичные связующие (матрицы) ПКМ, представляющие собой экви-
мольные смеси эпоксидной смолы ЭД-20 и отвердителей гексаметилендиамина
(ЭД-20-ГМДА) и диаминодифенилметана (ЭД-20-ДАДФМ). В качестве ПКМ ис-
пользовали слоистые волокнистые композиционные материалы на основе вышеука-
занных связующих: углепластики, армированные лентой ЛУ-П-01 и тканью УУТ-2СТ,
стеклопластики, армированные тканью Т-10, и органопластики, армированные тка-
нью СВМ. Соотношение связующего и армирующих наполнителей в ПКМ составля-
ло 1:1 по объему. В связи с тем, что каждая ячейка обладала своими индивидуаль-
ными абсолютными значениями диэлектрических показателей, которые различались
для ряда образцов более чем в 2 раза, полученные данные об изменении исследуемых
параметров пересчитывали в относительные изменения показателей в процентах (ДС,
ДСт и Atg5).
Диэлектрические ячейки входили в ра-
бочий блок аппаратуры «ЭРЭ», предна-
значенный для крепления исследуемых
образцов и их экспозиции в условиях кос-
мического пространства. Рабочий блок с
образами и датчиками температуры был
закреплен на универсальном посадочном
месте на внешней поверхности ОС «Мир».
После раскрытия крышек рабочего блока,
которое осуществлялось автоматически с
помощью пульта управления, образцы
подвергались воздействию ФКП.
Общий вид аппаратуры «ЭРЭ» приве-
ден на рис. 4.5.2. Рабочий блок состоит из
блока образцов и датчиков (1) и универ-
сального посадочного места (2). Схема бло-
Рис. 4.5.1. Схема диэлектрической ячейки:
1,2- верхняя (перфорированная) и нижняя
обкладки конденсатора; 3 - исследуемый
материал; 4 - проводники
ГЛАВА 4 5
ИЗМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВИ...
1071
Рис. 4.5.2. Общий вид аппаратуры «ЭРЭ»: а - рабочий блок; б - пульт управления;
в - рабочий блок в развернутом состоянии
ка образцов и датчиков представлена на рис. 4.5.3. Габариты блока образцов и датчи-
ков: длина 360 мм, ширина 234 мм, высота с такелажной рукояткой 180 мм. Он пред-
ставляет собой складывающуюся конструкцию, состоящую из трех частей и четырех
секций: двухсекционного основания (секции II и III) и раскладывающихся в стороны
крышек (секции I и IV). На каждой секции установлена плата с четырьмя диэлектри-
ческими ячейками и датчиком температуры. Всего в четырех секциях установлены 16
ячеек, 4 датчика температуры (Т1-Т4) и один эталон емкости. Количество датчиков
температуры определялось необходимостью измерения температуры на всех панелях
блока, так как в зависимости от ориентации станции (угла падения солнечных лучей)
разность температуры на дне и сторонах крышек может достигать нескольких десят-
ков градусов. Кроме плат с диэлектрическими ячейками в блоке размещены: элек-
тродвигатель, предназначенный для перемещения крышек в рабочее положение, маг-
нитоуправляемые контакты для остановки двигателя и датчики индикации рабочего
положения крышек. Плата для ячеек и датчиков изготовлена из стеклопластика и
имеет электрическую разводку для коммутации четырех образцов (рис. 4.5.1) и дат-
чика температуры.
Универсальное посадочное место предназначено для крепления блока ячеек и
датчиков в месте экспозиции на внешней поверхности ОС «Мир» и состоит из плат-
формы, к которой крепится блок ячеек и датчиков, и системы крепежных устройств
для установки аппаратуры на корпусе станции Габариты универсального посадоч-
ного места: длина 360 мм, ширина
210 мм, высота 44 мм. Пульт управления
предназначен для автоматического изме-
рения электрических параметров исследу-
емых образцов и контроля их температу-
ры, а также передачи данных измерений
непосредственно в телеметрический канал
для дальнейшей обработки. Он может на-
ходиться в любом месте и позволяет дис-
танционно задавать автоматический или
ручной режимы работы аппаратуры и
съема информации. Габариты пульта
управления: длина 200, ширина 130, вы-
сота 160 мм. Масса рабочего блока 6,6 кг,
а пульта управления - 2,4 кг.
Рис. 4.5.3. Схема блока образцов и датчиков:
а - основание; б - крышки; в - датчики
температуры; г - рукоятка для крепления
аппаратуры; ячейка 9 - эталон емкости
Цифрами обозначены платы с образцами
1072
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
В основе измерительной системы аппаратуры лежит мост переменного тока. Об-
разцы (диэлектрические ячейки) включены в одно из плеч моста. Это позволяет по-
лучать значения их емкости, проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь в
переменном электрическом поле при частоте 1 кГц, которые с помощью управляемо-
го импульсного автогенератора преобразуются в электрические импульсы. Частота
получаемых импульсов пропорциональна измеряемым величинам. Эти импульсы
передаются в канал радиотелеметрии для записи или для непосредственной передачи
на Землю с целью пересчета частоты импульсов в результаты измерений и расчета
диэлектрических параметров ячеек.
Расчеты исследуемых параметров f-ой ячейки осуществлялись по следующим
формулам:
• электрическая емкость С/, [пФ]:
1
С =----------------------------------1565,
1,59-1O7(2V„ + 3077 —+ рп)
(4.5.1)
где i - номер образца, i = 1-16; п - номер измерительной цепи; п = i для i = 1-8;
п = i + 1 для i = 9-16; Nn - результата измерения образца, подключенного к це-
пи с номером п\ Ng - результат измерения эталонного конденсатора, подклю-
ченного к цепи с номером 9; рп - поправка для цепи с номером п\
• активная проводимость G,, [мСм]:
G, =0,036 + 5,4-10-4 (N„-N26 + p„-0,1775С,.), (4.5.2)
где i - номер образца, i = 1-16; п - номер измерительной цепи, п = i + 17 для
i = 1-8; п = i + 18 для i = 9-16; Nn - результата измерения образца, подключен-
ного к цепи с номером п; Л^б - результат измерения эталонного конденсатора,
подключенного к цепи с номером 9; С, - электрическая емкость, [пФ], рассчи-
танная по формуле (4.5.1);рп-поправка для цепи с номером гг,
• тангенс угла диэлектрических потерь tg 8,:
106(7.
tg ,
1 0,0546^
(4.5.3)
где i - номер образца, i = 1-16; С, - электрическая емкость, [пФ], рассчитан-
ная по формуле (4.5.1); G, - активная проводимость, рассчитанная по форму-
ле (4.5.2).
Для измерения электрического сопротивления температурных датчиков через них
пропускался постоянный ток и измерялось падение напряжения на них. Для передачи
в телеметрический канал это падение напряжения преобразуется в электрические
импульсы, частота которых пропорциональна измеренной величине сопротивления.
После получения сигнала на Земле производится обратный пересчет частоты элек-
трических импульсов в сопротивление, а затем в температуру.
Температура f-го образца Т рассчитывается по формуле:
Tj = Р1,„ + , (4.5.4)
где J - номер температурного датчика, j = 1-4; п - номер измерительной цепи,
п =j + 41; Nn - результат измерения датчика, подключенного к цепи с номером и;
ГЛАВА 4.5
ИЗМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ И...
1073
Мб - результат измерения эталона температуры, подключенного к цепи с номером
46; Р\,п, Р1,п.Рз,п ~ поправки для цепи с номером п.
Основные технические характеристики аппаратуры «ЭРЭ»:
• пределы измерения электрической емкости: от 100 до 1 900 пФ;
• относительная погрешность измерения емкости: не более 3%;
• пределы измерения активной проводимости: 0,03-0,3 мСм;
• относительная погрешность измерения проводимости и тангенса угла диэлек-
трических потерь: не более 25% в начале диапазона и не более 15% в конце
диапазона;
• пределы измерения температуры: от -70 до +180°С;
• погрешность измерения температуры: не более ±2°С;
• питание аппаратуры от сети постоянного тока: 27 В;
• время непосредственной передачи данных в телеметрический канал: 48 с.
Аппаратура предназначена для работы в режиме непосредственной передачи дан-
ных в систему телеметрических измерений, поэтому функционирование аппаратуры
определяется параметрами этой системы. Для проведения измерений использовали
два режима работы системы: режим НП (непосредственной передачи данных по те-
леметрии на Землю длительностью 6 минут) и режим ЗАП-32 (записи длительностью
32 минуты, после которого информация сжимается и передастся на Землю во время
режима связи). В первом случае максимальное количество циклов измерений показа-
телей датчиков - 3, а во втором - 15. Измерения преимущественно проводились в
режиме ЗАП-32, что позволяло получать за один сеанс работы аппаратуры зависимо-
сти диэлектрических показателей в более широком диапазоне температур.
Информация от аппаратуры «ЭРЭ» поступала с 20 декабря 1989 по март 1999 гг.
Для обработки большого объема полученной информации был разработан пакет при-
кладных программ, позволяющих для каждого образца (ячейки) выбирать данные о
диэлектрических параметрах (С, G и tg 8) при определенной выбранной температуре
(с разбросом ±2°С) и строить по ним изотермические зависимости диэлектрических
параметров от длительности натурной экспозиции или их температурные зависимо-
сти для заданной длительности экспозиции (серии измерений). При обработке полу-
ченных данных натурного космического эксперимента учитывалась информация о
динамических операциях, проводившихся на орбите в данный период времени (рабо-
та двигателей ориентации ОС, выход космонавтов в открытый космос, стыковка с
другими КА и т. п.), и об условиях освещенности, при которых находились панели в
момент передачи данных.
Для наземных испытаний использовали образцы, которые были полностью иден-
тичны образцам, установленным на аппаратуре «ЭРЭ». Во время испытаний исполь-
зовали следующие имитирующие ФКП: вакуум (~10-6торр), термоциклирование
(интервал 20-70°С), УФИ с интенсивностью 2-10"4 Вт-см"2 и пучки электронов (ток
10 мА, энергия 10 кэВ). Воздействие факторов осуществляли отдельно и в комплексе
в вакуумной камере. Температуру образцов регулировали с точностью ±2°С. Газовы-
деление образцов и состав остаточных газов в высоковакуумной камере контролиро-
вали монопольным масс-спектрометром РОМС-2. Параметры ячеек измеряли с по-
мощью цифровых мостов переменного тока типа С-8 при рабочей частоте 1 кГц.
1074
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
4.5.2. Результаты и их обсуждение
Результаты наземных испытании и полученные при длительной экспозиции в
космических условиях с помощью аппаратуры «ЭРЭ» обрабатывали параллельно,
причем результаты наземных исследований влияния отдельных ФКП помогли про-
вести более полный анализ результатов космического эксперимента.
Данные, полученные при оценке влияния отдельных факторов, имитирующих
космические условия (вакуум, термоциклирование, воздействие У ФИ и потока элек-
тронов), на относительное изменение емкости и tg8 диэлектрических ячеек, содер-
жащих модельную эпоксиаминную композицию ЭД-20-ГМДА, представлены на
рис. 4.5.4-4.5.10. Из приведенных дан-
ных исследовании в вакууме видно
(рис. 4.5.4), что емкость и tg 8 диэлек-
трической ячейки плавно снижаются в
течение 30-40 часов, достигая стабиль-
ных значений. Анализ газового состава
в камере после выдержки образцов в
течение ~60 часов показал наличие в
основном компонента с массовым чис-
лом 18 (Н2О), а также некоторое коли-
чество компонентов с массовыми чис-
лами 28 и 44.
Как видно из типичных зависимо-
стей относительного изменения С и
tgS от температуры при шести цик-
лах нагрев / охлаждение со скоростью
3°С-мин~1, проведенных без выемки
образцов из вакуумной камеры после
длительной выдержки в ней (рис. 4.5.5),
при нагревании образцов от 20°С до
50-55°С емкость и tg 8 плавно возрас-
тают во всех циклах нагревания. При
более высокой температуре возраста-
ние становится более резким, что, оче-
видно, связано с приближением к тем-
пературе стеклования полимера, лежа-
щей в области 110°С. При нагревании
до 70°С емкость увеличивается на 30%,
a tg 8 - почти в 10 раз.
Изменения диэлектрических показа-
телей в первом цикле нагрев/охлаж-
дение во всех испытаниях заметно от-
личаются от последующих, которые
после 3-х циклов практически повто-
ряют друг друга. Во всех циклах на-
Рис. 4.5.4. Относительные изменения С (1)
и tg 5 (2) ячейки с композицией ЭД-20-ГМДА
при выдержке в вакууме при 20°С
Рис. 4.5.5. Относительные изменения
С(1, 2) и tgS (3, 4) ячейки с композицией
ЭД-20-ГМДА при термоциклировании
(сплошные линии - нагревание, пунктирные -
охлаждение со скоростью ЗоС-мин-1): 1-й (1, 3)
и 6-й (2, 4) циклы нагрева и охлаждения после
выдержки в вакууме
ГЛАВА 4.5
ИЗМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ И...
1075
грев/охлаждение зависимости емкости и
tg 8 от температуры, полученные во время
нагревания, не совпадают с соответст-
вующими зависимостями, полученными
при охлаждении, причем величина гис-
терезиса с каждым циклом уменьшается,
что, очевидно, объясняется выделением
из образцов при нагревании низкомоле-
кулярных компонентов, фиксируемых
масс-спектрометром.
При исследовании воздействия УФИ
использовали образцы, выдержанные дли-
тельное время в вакууме и подвергнутые
6-ти циклам нагрев / охлаждение, причем
в процессе облучения было зафиксиро-
вано увеличение температуры до 60 ± 5°С
к моменту отключения источника излу-
чения. Типичные относительные изме-
Рис. 4.5.6. Относительные изменения С(1),
tg5 (2) и Т (3) ячейки с композицией
ЭД-20-ГМДА во время 3-го цикла облучения
УФИ и после его прекращения (указано
стрелкой) после выдержки в вакууме
и 6-ти циклов термоциклирования
Рис. 4.5.7. Температурные зависимости С (1)
и tg 5 (2) ячейки с композиций ЭД-20-ГМДА
после четырех циклов облучения УФИ
(сплошные линии - нагревание, пунктирные -
охлаждение со скоростью 3°С-мин-1)
нения С и tg 8 и температуры ячеек в
процессе облучения и выдержки после его прекращения, приведенные на рис. 4.5.6
для 3-го цикла облучения, свидетельствуют, что величины изменения показателей
при облучении практически обратимы после его прекращения и, вероятнее всего,
связаны с температурными эффектами.
Температурные зависимости диэлектрических параметров образца в цикле на-
грев / охлаждение, полученные после 4-х циклов облучения (рис. 4.5.7), практически
такие же, что и до облучения, однако гистерезис кривых зависимостей емкости от
температуры после четырех серий облучения УФИ меньше, чем до облучения. Кроме
того, начало резкого увеличения tg 8(7) смещается в область более высоких темпе-
ратур примерно на 6°С (рис. 4.5.4 и
4.5.7).
Исследование влияния облучения по-
током электронов проводили на образ-
цах, подвергнутых длительной выдержке
в вакууме, шести циклам термоциклиро-
вания и четырем циклам облучения
УФИ. В процессе облучения потоком
электронов температура образцов дости-
гала 35 ± 5°С. После окончания облуче-
ния и достижения постоянных значений
емкости и tg 8 образец вновь подвергали
воздействию потока электронов, причем
камера в процессе всех циклов облуче-
ния и выдержки оставалась герметичной.
Типичные относительные изменения С и
tg 8 в процессе 3-го цикла облучения
1076
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Рис. 4.5.8. Относительные изменения
С (1), tg 3 (2) и Т (3) ячейки с композицией
ЭД-20-ГМДА во время 3-го цикла облучения
потоком электронов и после прекращения его
воздействия (указано стрелкой) после выдержки
в вакууме, 6-ти циклов термоциклирования
и 4-х циклов облучения УФИ
потоком электронов и последующей вы-
держки приведены на рис. 4.5.8.
Результаты, полученные в разных се-
риях облучения, качественно повторяют
эти зависимости, хотя количественно
значения С и tg8 различаются, причем с
увеличением числа циклов облучения
предельно достигаемые значения диэлек-
трических показателей растут, выходя на
насыщение после 4-5 циклов. Характеры
зависимостей изменения диэлектриче-
ских показателей при облучении потоком
электронов и У ФИ близки, но количест-
венные изменения при облучении элек-
тронами больше, особенно для tg 8, что,
очевидно, вызвано природой излучения, а
не температурными эффектами.
Для исключения температурного эф-
фекта в процессе облучения У ФИ и пото-
ком электронов из экспериментальных данных, полученных при облучении соответ-
ствующим видом излучения (рис. 4.5.6 и 4.5.8), вычли данные, полученные на этих
же образцах в цикле нагрев /охлаждение (рис. 4.5.7). Полученные данные для 4-го
цикла облучения У ФИ и 3-го цикла облучения потоком электронов приведены на
рис. 4.5.9. Эти данные подтверждают предположение, что влияние УФИ в первую
очередь обусловлено эффектом нагревания образца, а облучение электронами, в от-
личие от УФИ, приводит к заметному увеличению диэлектрических параметров яче-
ек, не связанному с влиянием температуры.
Результаты наземных исследований влияния комбинированного воздействия ва-
куума, УФИ и потока электронов на из-
Рис. 4.5.9. Относительные изменения С (1, 3)
и tgS (2, 4) ячеек под воздействием УФИ (1,2)
и потока электронов (3, 4) при исключении
эффекта температуры
менение С и tg 8 ячейки с полимером
ЭД-20-ГМДА приведены на рис. 4.5.10.
Комбинированное воздействие излучений
и температуры приводит к резкому воз-
растанию диэлектрических параметров
образца в течение первых 5-10 минут,
которое превышает их раздельное влия-
ние. После прекращения облучения тем-
пература и диэлектрические параметры
плавно возвращаются к исходному зна-
чению.
Столь резкие изменения диэлектриче-
ских параметров ячеек в первые 5-10 ми-
нут после начала комбинированного воз-
действия УФИ и потока электронов мож-
но объяснить синергическим эффектом
ГЛАВА 4.5
ИЗМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ И...
1077
Рис. 4.5.10. Относительные изменения С(1),
tg 5 (2) и Т (3) ячейки с композицией ЭД-20-ГМДА
при комбинированном воздействии У ФИ
и потока электронов в вакууме и после его
прекращения (указано стрелкой)
этих воздействий, связанным с резким
нагревом ячейки и накоплением элек-
трических зарядов на поверхности элек-
тродов в первые минуты воздействия. В
дальнейшем, при стабилизации темпе-
ратуры образцов, проявляется эффект
интенсивного стекания зарядов и сни-
жения диэлектрических показателей.
После прекращения облучения темпера-
тура и диэлектрические параметры об-
разцов плавно возвращаются к своим
стабильным значениям.
Результаты, полученные при обра-
ботке с помощью ЭВМ данных косми-
ческого эксперимента по определению
диэлектрических параметров ячеек с
образцами отвержденных эпоксиамин-
ных композиций и ПКМ на их основе
при длительной экспозиции в натурных условиях на поверхности ОС «Мир» с ис-
пользованием аппаратуры «ЭРЭ», приведены на рис. 4.5.11-4.5.13. На рис. 4.5.11
приведены типичные результаты, полученные при обработке массива данных за
1990-1999 гг. об изменении диэлектрических показателей ряда исследованных сис-
тем во времени при различных температурах. Полученные данные свидетельствуют,
что в случае ячеек с эпоксиаминными связующими наблюдается плавное уменьше-
ние емкости, причем для ячеек со связующим ЭД-20-ДАДФМ, имеющим более гус-
тую химическую сетку и высокую жесткость цепей, уменьшение емкости меньше,
чем для ячеек с композицией ЭД-20-ГМДА, имеющей более редкую сетку и высо-
кую гибкость цепей. При этом общее снижение емкости составляет от 6 до 9%. У
образцов-аналогов после хранения в течение 10 лет в земных условиях емкость
уменьшилась от 1 до 4%.
Рис. 4.5.11. Изменения С и tg5 при +20°С в процессе экспозиции для ячеек:
а - со связующим ЭД-20-ГМДА; б - с ПКМ (ЭД-20-ДАДФМ - углеродная лента)
1078
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
Изменение во времени (при заданной температуре выборки данных) tg 8 в услови-
ях космического пространства в течение 10 лет экспозиции для неармированных
эпоксиаминных композиций по своему характеру сходно с изменением емкости, т. е.
наблюдается плавное снижение средних значений (рис. 4.5.11а). В то же время сле-
дует отметить больший разброс экспериментальных точек для tg8, чем для С. Сни-
жение значений tg 8 ячеек в течение 10 лет экспозиции составило от 10 до 80%, а в
земных условиях - от 5 до 40%.
Изменение диэлектрических свойств ПКМ в процессе длительной экспозиции в
космических условиях при заданной температуре выборки данных (рис. 4.5.116) оп-
ределяется природой армирующего наполнителя Так, ячейки с ПКМ, армированны-
ми углеродными волокнами, снизили емкость на 3,5-4,5%, а стеклянными - на 15%.
С учетом разброса данных величина tg 8 этих ячеек практически не изменилась. Па-
раметры ячейки с ПКМ на основе органической ткани СВМ на начальных стадиях
экспозиции изменялись наиболее резко, а с 1993 г. информация с нее прекратила по-
ступать.
На рис. 4.5.12а приведены типичные зависимости С и tg 8 образцов от температу-
ры в интервале от -60 до +120°С, полученные для выбранного отрезка времени экс-
позиции для эпоксидной смолы, отвержденной ГМДА.
Рис. 4.5.12. Зависимости С и tg5 от температуры в процессе экспозиции: а - для ячейки
с композицией ЭД-20-ГМДА за период февраль-ноябрь 1995 г.; б - для ячейки с ПКМ
(ЭД-20-ДАДФМ - углеродная лента) за период август 1996 - май 1997 гг.
Из приведенных данных видно, что для диэлектрических ячеек, содержащих свя-
зующее ЭД-20-ГМДА, характер температурной зависимости емкости идентичен: с
увеличением температуры емкость сначала резко (в интервале от -60 до +30°С), за-
тем более плавно растет с выходом на наклонное плато при температуре выше
30-70°С и вновь начинает возрастать при температурах выше 75°C. Разброс значений
емкости, очевидно, связан с внешними воздействиями и носит случайный характер.
Причем такой разброс характерен для образцов, расположенных на разных панелях.
Для образцов, расположенных рядом на панелях, разбросы экспериментальных точек
очень близки. Это свидетельствует о том, что резкие скачки диэлектрических показа-
телей вызваны внешними факторами, носящими случайный характер.
Аналогичные зависимости диэлектрических параметров ячеек от температуры на-
блюдались при обработке информации за любые другие отрезки времени.
ГЛАВА 4.5
ИЗМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ И...
1079
Тангенс угла диэлектрических потерь на всех приведенных кривых имеет ярко
выраженный пик в области от -40 до -20°С и вновь начинает возрастать при темпе-
ратуре выше +75 °C.
Приведенные на рис. 4.5.126 типичные зависимости С и tg 8 от температуры для
диэлектрических ячеек с ПКМ за период с августа 1996 по май 1997 гг. показывают,
что в случае углепластиков, как и в случае ненаполненных композиций, с увеличени-
ем температуры емкость образцов увеличивается, a tg 8 диэлектрических потерь име-
ет явно выраженный пик в области температур от -20 до +30°С. Изменение их емко-
сти наиболее близко соответствует изменению емкости ячеек со связующим, отверж-
денным ДАДФМ.
Обобщение результатов, полученных при исследовании влияния натурных и ими-
тирующих ФКП на параметры диэлектрических ячеек, содержащих отвержденные
связующие и ПКМ, показывает, что влияние вакуума приводит к необратимому из-
менению диэлектрических свойств, связанному с удалением воды и других низкомо-
лекулярных компонентов из полимерной композиции, что подтверждает анализ масс-
спектров газовой смеси в камере. Термоциклирование приводит как к необратимому
изменению диэлектрических свойств, связанному с удалением воды и других низко-
молекулярных компонентов и доотверждением полимерного связующего, так и к
обратимому изменению свойств, вызванному непосредственно эффектом температу-
ры. Необратимые эффекты приводят к появлению гистерезиса на кривых изменения
диэлектрических свойств при нагреве и охлаждении, к заметному отличию показате-
лей свойств в первом цикле нагрева от последующих и к монотонному снижению
диэлектрических показателей во времени.
Анализ температурных зависимостей диэлектрических параметров ячеек позволя-
ет с большой долей уверенности связать низкотемпературный пик на кривых танген-
са угла диэлектрических потерь с дополнительными релаксационными переходами в
стеклообразном состоянии отвержденного связующего, вызванным размораживани-
ем индивидуальной формы сегментальной подвижности. Этот пик фиксируется в
случае ячеек с обоими типами композиций
в области температур от -30 до +30°С.
Очевидно, что этим же переходом обуслов-
лено резкое увеличение емкости ячеек в
области температур от -60 до +20°С. Сме-
щение максимума пика tg 8 при увеличении
длительности экспозиции (рис. 4.5.13) с вы-
ходом на насыщение свидетельствует о ста-
билизации структуры сетчатого полимера
вследствие удаления низкомолекулярных
компонентов и увеличения густоты поли-
мерный сетки в процессе доотверждения.
Высокотемпературная область (выше
75°С) резкого увеличения емкости и tgS у
ячеек с композицией ЭД-20-ГМДА, оче-
видно, связана с приближением к темпера-
туре стеклования (а-релаксационному пе-
Рис. 4.5.13. Зависимость температуры
дополнительного релаксационного перехода
от длительности экспозиции в космических
условиях для ячеек с композицией
ЭД-20- ДАДФМ (1) и ЭД-20-ГМДА (2)
1080
НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
РАЗДЕЛ 4
реходу). Смещение начала резкого возрастания диэлектрических параметров ячеек с
этой композиций, связанное с увеличением температуры стеклования, составило
5 ± 2°С за 10 лет экспозиции.
Очевидно, что рассмотренные выше процессы приводят к появлению механиче-
ских напряжений в материалах и их частичному растрескиванию и отслаиванию от
обкладок конденсатора. Эти эффекты после десяти лет экспозиции могут оказывать
большее влияние на снижение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь, чем
физико-химические процессы, протекающие в матрице. Это предположение под-
тверждается снижением емкости, хотя и в меньшей степени, наблюдаемым и у об-
разцов-аналогов, хранившихся в Земле в лабораторных условиях. В отсутствии ва-
куума, термоциклирования и воздействия ионизирующих излучений снижение ем-
кости у образцов-аналогов можно объяснить только появлением микротрещин в
процессе старения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что при экспозиции в условиях воздействия ФКП изменения емко-
сти и tg 8 диэлектрических ячеек с образцами модельных полимерных связующих и
ПКМ на их основе сопровождается изменениями свойств материала, как резкими
обратимыми, вызванными влиянием излучений и термоциклирования, так и необра-
тимыми: быстрыми на первом этапе (от нескольких десятков часов до нескольких
суток), связанными с удалением воды и летучих, и более медленными в дальнейшем,
обусловленными изменением структуры материала в результате доотверждения и
увеличения густоты полимерной сетки.
Показано, что один и тот же ФКП может вызывать как к обратимое, так и необра-
тимое изменение диэлектрических свойств, а их совместное действие приводит к
сложной зависимости этих свойств от времени. Эта зависимость сопровождается как
плавными изменениями, так и резкими флуктуациями, причем выбросы показателей
свойств относительно их средних значений не связаны с резкими изменениями
внешней атмосферы вокруг станции, вызванной динамическими операциями на ор-
бите (стыковка, сопровождаемая работой двигателей коррекции, приводящей к вы-
бросу полярных элементов топлива, выходы экипажа, сопровождаемые выбросом в
окружающее пространство влаги и воздуха, операции по выбросу мусора и т. п.).
Установлено, что разброс показателей диэлектрических свойств вызван, в первую
очередь, характером освещенности панелей, причем длительность возврата к исход-
ным значениям соответствующих параметров составляет от нескольких минут до
нескольких часов, а сами эти изменения обусловлены периодическим накоплением
(индуцированием) и исчезновением (стеканием или рекомбинацией) заряженных
частиц на обкладках диэлектрических ячеек, в поверхностных слоях и объеме иссле-
дуемых материалов, что связано с периодическим воздействием на ячейки солнечно-
го излучения.
Показано различие в воздействии на диэлектрические параметры ячеек УФИ и
потока электронов, которое обусловлено тем, что при воздействии УФИ основное
влияние оказывают температурные эффекты, а в случае потока электронов - накоп-
ление и исчезновение зарядов.
ГЛАВА 4.5
ИЗМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ И...
1081
Установлено, что суммарное снижение емкости в космических условиях в тече-
ние 10 лет (3-15%), хотя и превышает снижение ее при хранении в земных условиях
(1-4%) на образцах-аналогах, позволяет говорить об отсутствии катастрофического
падения свойств исследуемых материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия. Воздействие космической среды на мате-
риалы и оборудование космических аппаратов. T. 16, 17. Под ред. Новикова Л.С., Панасюка М.И.
М.: ЭНЦИТЕХ, 2000.
2. Акишин А.И. Разрядные и синергические явления в облученных диэлектриках могут дестабилизиро-
вать космическое и термоядерное оборудование. Препринт НИИЯФ МГУ, 97-16/467, 1997.
3. Тютнев А.П. Радиационно-индуцированная проводимость полимеров: обзор. Химия высоких энергий,
1996, т. 30, № 1, с. 5-18.
4. Электрические свойства полимеров. Под ред. Сажина Б.И. 3-е изд. Л.: Химия, 1986.
5. Лущейкин Г.А. Методы исследования электрических свойств полимеров. М.: Химия, 1988.
6. Scientific news letters for dielectric spectroscopy. Dielectric News letters, September 1998, pp. 4-6.
7. Senturia S. Dielectric analyses of thermoset cure. Advances in Polymer Sci., 1986, v. 80, pp. 2-47.
8. Бабаевский П.Г., Козлов Н.А, Жуков А.А. Исследование сорбции и диффузии воды в полимерных
покрытиях диэлектрическим методом. Сборник трудов Второй Международной научно-технической
конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных
сред» «ЭМФ-2001». «Полимеры, полимерные композиционные материалы». Барнаул: АГИ, 2001, т. 1,
с. 10-16.
9. Rose M.F. Electrical insulation and dielectrical in the space environment. Electrical Insulation, 1987, v. El-22,
No 5, pp. 555-571.
10. Didgirard M., Van Eesbeek M., Subias M., Gabriel S., Durin C., Aranjo A., Mandeville J.J.-C., Paillous A. Mate-
rials exposure and degradation experiment on EuTEE (MEDET). In: Proceeding of the 8th International sym-
posium on «Materials in Space Environment», Arcachon, France, 2000.
11. Бабаевский П.Г., Козлов H.A., Никитский В.П., Чурило И.В. Проблемы создания диагностической ап-
паратуры для конструкционных материалов индустриальных объектов в космических условиях. В сб.:
Труды XXIII чтений посвященных разработке научного наследия и развития идей К.Э. Циолковского.
Секция: К.Э. Циолковский и проблемы космического производства. М.: ИИЕТ АН СССР, 1989, с. 44.
12. Бабаевский П.Г., Козлов Н.А., Чурило И.В., СлагодаВ.В. Результаты длительных исследований про-
цессов старения полимерных композиционных материалов на борту станции «Мир» диэлектрическим
методом. В сб.: XXII Научные чтения, посвященные разработке творческого наследия К.Э. Циолков-
ского. Тезисы докладов. М.: ИИЕТ РАН, 1997, с. 156.
13. Бабаевский П.Г., Козлов Н.А., Чурило И.В., Ашурбеков Н.А., Юнусов А.М., Сидоров И.И. Измерение
диэлектрических свойств полимерных материалов в условиях, имитирующих космические. В сб.: Тру-
ды XXIY чтений посвященных разработке научного наследия и развития идей К.Э. Циолковского.
Секция: К.Э. Циолковский и проблемы космического производства. М.: ИИЕТ АН СССР, 1990, с. 114.
14. Babayevsky P.G., Kozlov N.A., Slagoda W., Tchurilo I.V., Nikitsky V.P. Dielectric properties - temperature
monitoring of cured epoxy polymers and composites during 6-years outer space exposure. In: Proc. 7th Inter-
national Symposium on Materials in Space Environment. Toulouse, France, 1997, pp. 345-356.
15. Babayevsky P.G., Kozlov N.A., Shubin A.N., Tchurilo I.V., Smirnova T.N. Techniques and instrumentation
for development of space experiments on polymer materials. Aircraft Engineering and Aerospace Technol-
ogy: An International Journal, 2001, v. 73, No 4, pp. 367-373.
5
СТАНДАРТЫ
И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
ГЛАВА 5.1
СТАНДАРТИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ:
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ И МЕЖДУНАРОДНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ
Лесновский Е.Н.
Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума
Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии
Список сокращений
КА космический аппарат
НД нормативный документ
ФКП факторы космического пространства
ВВЕДЕНИЕ
Систематические наблюдения за околоземным пространством и инструменталь-
ные изучения его свойств начались, как известно, задолго до первых полетов искус-
ственных спутников Земли.
Такие исследования, а позднее и с использованием научных приборов, установ-
ленных на космических аппаратах (КА), позволили получить обширный эксперимен-
тальный материал о характеристиках факторов космического пространства (ФКП),
пространственно-временных и энергетических вариациях их параметров, о взаимо-
связях ФКП между собой и т. д. Эти данные в течение десятков лет публиковались во
всевозможных научных изданиях, трудах и отчетах различных научно-исследова-
тельских институтов, журналах, справочниках и т. д.
Проведенный в свое время анализ собранных материалов показал, что значения
одних и тех же параметров ФКП по различным литературным источникам имеют
ГЛАВА 5.1
СТАНДАРТИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ...
1083
существенные расхождения. Если же говорить об изменениях свойств, например,
материалов от воздействий ФКП или об оценке влияния отдельных ФКП на здоровье
человека, то расхождения по различным источникам достигают сотни, а иногда и
тысячи раз. Объясняется это, прежде всего, тем, что авторы не всегда учитывали ес-
тественные (природные) изменения активности ФКП, не принимали во внимание
методические и метрологические ошибки измерений (последнее особенно характерно
для результатов, полученных на ранних этапах космических исследований), исполь-
зовали различные методы обработки и принципы интерпретации результатов изме-
рений и т. д. В силу указанного выбор из огромного количества литературных источ-
ников тех, которые бы соответствовали современному научно-техническому уровню,
представляет достаточно сложную задачу даже для специалистов, занимающихся
изучением космической среды. Если же такая необходимость появляется у сотрудни-
ков конструкторских организаций или у специалистов, занимающихся, например,
испытаниями элементов или материалов на температурные или радиационные воз-
действия космической среды, то вероятность использования недостоверной инфор-
мации возрастает многократно. Следствием этого является возможность непрогно-
зируемого снижения технических характеристик космических систем, что, в свою
очередь, приводит к нерациональному использованию ассигнований, выделяемых
на их создание. Для иллюстрации сказанного заметим, что затраты, например,
только на выведение одного килограмма полезной нагрузки на геостационарную ор-
биту составляют в настоящее время от 16 до 28 тысяч долларов США («Российская
газета», 21.02.2002 г.). Поэтому задача обеспечения самых различных потребителей
и, прежде всего, специалистов, занимающихся созданием космической техники, со-
временными данными о характеристиках ФКП весьма актуальна, а для эффективного
ее решения целесообразно использовать методы и средства стандартизации. Стан-
дартизация позволяет, во-первых, предоставить всем заинтересованным сторонам
единые научно обоснованные данные о внешних воздействиях на КА, его оборудова-
ние и материалы и, во-вторых, установить единые методы расчета (выбора) опти-
мальной защиты аппаратуры и человека (если речь идет о пилотируемых КА) от воз-
действий космической среды.
5.1.1. Цели и объекты стандартизации
В начале 1980 г. было принято решение о проведении работ по анализу, обобще-
нию и упорядочению всего накопленного к тому времени научного и эксперимен-
тального материала и на основе этого стандартизация:
• моделей и характеристик ФКП, процессов, протекающих в космической среде;
• моделей воздействия ФКП на материалы, элементы, технические устройства
КА и экипаж в процессе космического полета;
• методов расчета защиты КА и экипажа от воздействий неблагоприятных фак-
торов;
• методов оценки и прогнозирования работоспособности элементов и техниче-
ских устройств КА при комплексном воздействии ФКП.
Объемы и сроки выполнения таких работ по стандартизации устанавливались ко-
ординационными планами («Канопус-80» - на 1981-1985 гг., «Канопус-85» - на
1084
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
1986-1990 гг., «Канопус-90» - на 1991-1995 гг.) и в рамках НИР «Крокус» в конце
1990-х - начале 2000-х гг.
Работы предусматривали проведение ряда научно-исследовательских работ
(НИР) и на основе полученных результатов разработку нормативных документов
(НД). В процессе НИР, как правило, осуществляли сбор, обработку и анализ отече-
ственных и зарубежных теоретических и экспериментальных данных. Для некото-
рых НИР предусматривались также сбор и обработка данных, полученных при це-
ленаправленных натурных экспериментах в условиях космического пространства.
Это позволило получить новые экспериментальные данные и проверить достовер-
ность имеющихся. Так, только за период с 1981 по 1990 гг. было выведено в кос-
мическое пространство на различных КА 126 научных приборов суммарной массой
более 2,8 т. В работах принимали участие более 70 предприятий страны (КБ, НИИ,
ВУЗы и др.).
В результате реализации координационных планов «Канопус» и работ по НИР
«Крокус» создан комплекс приблизительно из 150 НД, который сформирован по трем
направлениям:
1) физические условия космического пространства;
2) радиационная безопасность экипажа КА в космическом полете;
3) модели воздействия и повреждения технических устройств, элементов и мате-
риалов КА в условиях космического полета.
Этот комплекс документов получил условное наименование «Проблема «Кано-
пус» и в обозначении единый групповой номер - 25645.
Комплекс документов 1-го направления содержит расчетные модели космической
среды по основным ее факторам:
• активность Солнца и верхняя атмосфера Земли;
• ионосфера Земли;
• магнитосфера Земли и геомагнитное поле;
• космические лучи (галактические и солнечные);
• радиационные пояса Земли;
• рентгеновское и гамма-излучение;
• солнечные излучения;
• солнечный ветер;
• межпланетное магнитное поле;
• метеорное и техногенное вещество;
• характеристики Луны и планет.
Формирование нормативных документов по первому направлению проблемы
«Канопус» началось с разработки терминологического стандарта ГОСТ 25645.103-84
«Условия физические космического пространства. Термины и определения». В этом
стандарте даны определения основным ФКП. Схема классификации понятий физиче-
ских условий космического пространства приведена на рис. 5.1.1.
Особенности пилотируемых полетов вызывают необходимость установления осо-
бых требований к обеспечению радиационной безопасности экипажа, при соблюде-
нии которых исключается (при заданном риске) возникновение патологических на-
рушений в организме человека после полета.
ГЛАВА 5.1
СТАНДАРТИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ...
1085
Рис. 5.1.1. Схема классификации понятий физических условий космического пространства
Эти требования регламентируются комплексом взаимоувязанных НД по 2-му на-
правлению, устанавливающих:
• общие требования и нормы по обеспечению радиационной безопасности поле-
тов продолжительностью до трех лет;
• стандартные исходные данные для выбора защиты экипажа КА;
• методические указания к расчетам и экспериментальной проверке эффектив-
ности защиты;
• модели эффектов радиационного воздействия космических излучений на орга-
низм человека.
Для выбора оптимальных методов защиты технических устройств космической
техники от неблагоприятных воздействий космической среды разработаны НД 3-го
направления, устанавливающие:
• прогнозируемые уровни воздействия ионизирующих излучений космического
пространства на элементы и технические устройства КА;
• методы оценки воздействия ионизирующего излучения, глубокого вакуума, те-
пловых потоков, собственной внешней атмосферы и накопленного электроста-
тического потенциала на работоспособность элементов и устройств КА;
1086
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
• модели радиационных повреждений полимерных, керамических, полупровод-
никовых и оптических материалов и технических устройств;
• методики для баллистического обеспечения космических полетов (расчет за-
трат топлива на маневрирование КА, расчет погрешностей измерений текущих
навигационных параметров КА, расчет звездного времени для преобразования
пространственных координат из одной системы в другую и т. д.).
Перечень основных нормативных документов по проблеме «Канопус» приведен в
Приложении к настоящей главе.
Комплекс НД внедрен в практику создания специальной и научной аппаратуры,
технических устройств и материалов для космической техники, что позволяет:
• снизить массу бортовой аппаратуры КА (за счет оптимизации радиационной
защиты);
• увеличить массу полезной нагрузки КА (за счет сокращения гарантийных запа-
сов топлива в двигательных установках КА);
• сократить объем наземной экспериментальной отработки КА и его систем (за
счет применения стандартизованных решений);
• повысить безопасность полетов космонавтов (за счет снижения погрешностей
проектно-конструкторских расчетов).
5.1.2. Направления развития работ по стандартизации и совершенствованию
нормативных документов
Существенное усложнение задач, решаемых с помощью космической техники,
требует дальнейшего совершенствования нормативного обеспечения работ по созда-
нию и эксплуатации такой техники. Это приводит к необходимости расширения те-
матики работ по стандартизации в следующих направлениях:
• совершенствование методов обеспечения стойкости изделий электро-, радио- и
электронной техники к воздействию ФКП (оценка деградации параметров из-
делий, методы ускоренных испытаний, критерии отбора радиационно стойких
интегральных схем, оценка их стойкости с учетом эффектов восстановления,
ресурсная стойкость солнечных батарей и т. п.);
• разработка методов оценки работоспособности элементов и систем КА в ус-
ловиях космической среды (модели деградации свойств материалов под воз-
действием термических нагрузок, изменение оптических и антифрикционных
характеристик материалов и покрытий при воздействии вакуумного ультра-
фиолетового излучения Солнца, радиационная стойкость полимерных мате-
риалов и т. д.);
• разработка требований к системам измерительных средств, обеспечивающих
оценку эквивалентной дозы для персонала, работающего в полях ионизирую-
щих излучений, и уровней радиационного риска экипажа КА в зависимости от
возможных аварийных ситуаций;
• разработка и совершенствование моделей условий функционирования КА в око-
лоземном и межпланетном пространстве (магнитосферная плазма, вариации гра-
витационных и магнитных полей Земли, прогноз солнечной активности и т. п.).
ГЛАВА 5.1
СТАНДАРТИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ...
1087
Весьма острым является также вопрос о поддержании на требуемом научно-тех-
ническом уровне созданных ранее и действующих в настоящее время НД, поскольку
используемые методики расчетов характеристик ряда ФКП устарели и требуют пере-
смотра.
5.1.3. Основные принципы технического регулирования
С 1 июля 2003 г. в России введен в действие новый федеральный закон «О техни-
ческом регулировании» (от 27.12.2002 г. № 184-ФЗ), который признал утратившим
силу ранее действовавший закон «О стандартизации».
В новом законе существенно изменены основные принципы технического регу-
лирования, если речь идет о промышленной продукции, «предназначенной для даль-
нейшего использования в хозяйственных и иных целях» (Ст. 2; здесь и далее приве-
дены ссылки на статьи закона «О техническом регулировании»). Указанное в полной
мере относится к космической технике.
К основным принципам технического регулирования можно отнести следующие.
1. Обязательные для соблюдения требования к любой продукции устанавливают-
ся в технических регламентах (TP). ТР - это документ, принимаемый федеральным
законом или постановлением Правительства России (Ст. 7). ТР может быть принят
также международным договором, который подлежит ратификации (Ст. 10). В ис-
ключительных случаях, когда необходимо незамедлительное принятие решения, ТР
может быть принят указом Президента России (Ст. 10). В ТР с учетом степени риска
причинения вреда устанавливаются минимально необходимые требования, обеспе-
чивающие: безопасность излучений, биологическую безопасность, взрывобезопас-
ность, механическую, химическую, ядерную, радиационную и иные виды безопас-
ности, а также обеспечивающие электромагнитную совместимость и единство из-
мерений (Ст. 7). ТР могут быть общими для всех видов продукции и
специальными, т. е. устанавливающими требования только к отдельным видам
продукции (Ст. 8).
2. Помимо ТР, где устанавливаются обязательные требования к продукции, мо-
жет быть разработан документ, в котором устанавливаются характеристики такой
продукции, правила ее производства, эксплуатации, хранения, реализации и т. д.,
правила выполнения каких-либо работ или оказания услуг (Ст. 2). Такой документ
может быть утвержден в категории национального стандарта России (ГОСТ Р), меж-
государственного (СНГ) стандарта (ГОСТ) либо стандарта организации (СТО). При-
менение таких стандартов осуществляется на основе добровольности (Ст. 12). Одна-
ко до вступления в силу соответствующих ТР требования, которые установлены в
действующих стандартах и касаются защиты жизни и здоровья граждан, имущества,
физических или юридических лиц, охраны окружающей среды и предупреждения
действий, вводящих в заблуждение приобретателей, являются обязательными для
соблюдения и исполнения (Ст. 46). Указанное в полной мере относится к стандартам
и иным НД, перечень которых приведен в Приложении.
3. Правила разработки ГОСТР претерпели некоторые изменения. В частности,
разработчиком ГОСТ Р может быть любое физическое или юридическое лицо, кото-
1088
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕСИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
рое формирует проект стандарта и уведомляет Национальный орган по стандартиза-
ции об этом проекте (Ст. 16). Это уведомление публикуется в информационной сис-
теме и специальном печатном издании, где сообщается также о порядке и условиях
ознакомления с проектом ГОСТ Р. Все заинтересованные лица имеют возможность
сообщить свои предложения по доработке проекта стандарта. Разработчик с учетом
полученных предложений формирует очередную редакцию проекта стандарта, про-
водит ее обсуждение с заинтересованными лицами и готовит уведомление о завер-
шении публичного обсуждения. Это уведомление также публикуется. В последую-
щем проект стандарта проходит экспертизу в Техническом комитете по стандартиза-
ции по соответствующему виду продукции и представляется в Национальный орган
по стандартизации для утверждения и официального издания (естественно, в случае
принятия положительного решения).
5.1.4. Международная стандартизация
В апреле 1993 г. в Международной организации по стандартизации (ИСО) в рам-
ках Технического комитета ТК 20 «Авиация и космонавтика» был образован Подко-
митет ПК 14 «Космические системы и их эксплуатация», деятельность которого ох-
ватывает практически все стороны процесса создания и использования космической
техники. В работе подкомитета принимают активное участие 11 государств - членов
ИСО и 8 различных международных организаций в категории «сотрудничающих ор-
ганизаций».
Работа подкомитета организована по шести направлениям, рабочим группам (РГ).
Объекты деятельности групп представлены в табл. 5.1.1.
Созданию Подкомитета ПК 14 предшествовали достаточно интенсивные консуль-
тации в течение трех-четырех лет между государствами - членами ИСО, в процессе
которых решались вопросы выбора направлений деятельности рабочих групп и на-
значения государств, осуществляющих руководство их работой. При этом учиты-
вался «космический опыт» и, что являлось определяющим, наличие национальных
стандартов в выбранных направлениях деятельности. Поэтому когда рассматривался
вопрос об определении государства, которое должно возглавить Секретариат рабочей
группы ИСО ТК 20/ПК 14/РГ4, то ни у кого не было сомнений, что это должна
быть Россия, так как ее приоритет в этой области был неоспорим. Работы по стандар-
тизации в области факторов космической среды были начаты в других странах
(США, Японии, Китае) и в региональных космических организациях (например, в
Европейском космическом агентстве) существенно позднее и в полной мере учиты-
вали российский опыт в этой области. Следует отметить, что в последние 10-12 лет
работы по национальной стандартизации в этих странах проводятся весьма интен-
сивно, что объясняется существенными государственными ассигнованиями на их
выполнение.
Цели и направления деятельности рабочей группы ИСО ТК 20/ПК 14/РГ 4, пред-
ставленные ниже, изложены в Заявлении о стратегии в политике, которое официаль-
но принято всеми странами - членами ИСО, участвующими в работе группы.
ГЛАВА 5.1
СТАНДАРТИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ...
1089
Направления работ Подкомитета ПК 14
Таблица 5.1.1
Условное обозначение РГ Наименование РГ и основные направления деятельности Государство и организация, руководящие работой РГ
ИСО ТК 20/ ПК 14/РГ 1 Разработка изделий и их производство Ракеты, космические аппараты и их составные части. Электрические, электронные, электромагнитные и другие элементы. Сближение и стыковка КА. Проектирование средств выведения и КА. Технологическая оснастка, инструменты и приспособления Япония Mitsubishi Electric Corporation
ИСО ТК 20/ ПК 14/РГ 2 Сопрягаемость элементов и изделий, их сборка и испытания Стенды и испытательное оборудование. Сопрягаемость элементов средств выведения и КА, их сборка и натурные испытания США Lockheed Martin Astrospace
ИСО ТК 20/ ПК 14/РГ 3 Эксплуатация и наземное обеспечение функционирования изделий ракетно-космической техники Наземные станции. Подготовка к пуску средств выведения. Эксплуатация КА. Выбор системы координат Германия Daimler-Benz Aerospace
ИСО ТК 20/ ПК 14/РГ4 Космическая среда {естественная и искусственная') («Направления деятельности» см. ниже) Россия НИИЯФ МГУ
ИСО ТК 20/ ПК 14/РГ 5 Программное (целевое) управление процессом создания ракетно-космической техники Управление процессом создания. Оценка соответствия (сертификация) требованиям стандартов. Применение ИСО 9000. Управление затратами и сроками создания. Международное сотрудничество. Программная организация работ, готовность, ремонтопригодность, безопасность. Системное управление качеством. Структура аварийных работ Франция A erospatiale ISQIР
ИСО ТК 20/ ПК 14/РГ 6 Материалы и процессы Металлические и неметаллические материалы. Технология получения и контроль качества. Изменение характеристик при внешних воздействиях Франция CNES/DLA
Цели деятельности рабочей группы ИСО ТК 20/ПК 14/РГ 4.
1. Обеспечение различных потребителей достоверной и доступной информацией
о свойствах космической среды по возможно большему числу отдельных ФКП как
естественного, так и искусственного происхождения.
2. Создание условий для возможности выбора в зависимости от задач необходи-
мой совокупности моделей ФКП, в максимальной степени адекватности описываю-
щих реальные процессы, протекающие в космической среде.
1090
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕСИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
3. Обеспечение исходными данными процессов создания и тестирования средств и
установок для имитации в наземных условиях отдельных ФКП или их совокупности.
4. Создание условий для использования разрабатываемых стандартов для реально
существующих или потенциальных задач как в космической науке и промышленно-
сти, так и в других областях деятельности, где сведения о процессах, протекающих в
космической среде, являются необходимыми.
Направления деятельности:
• терминология в области космической среды и взаимодействия с техническими
средствами;
• космические лучи (СКЛ, ГКЛ, аномальная компонента, частицы альбедо, функ-
ции проникновения);
• солнечная активность, солнечные протонные события, излучения Солнца раз-
личных длин волн, геомагнитные индексы, солнечный ветер;
• земной геоид и гравитационные модели;
• радиационные пояса Земли (электроны и протоны на больших и малых высо-
тах, тяжелые ионы на больших высотах, модель для геостационарных орбит);
• модели магнитного поля;
• магнитосфера, плазмосфера и ионосфера;
• метеорное вещество;
• техногенное вещество (космические обломки, включая «космический мусор»);
• нейтральная верхняя атмосфера (плотность, температура, состав, ветры);
• оптические излучения в атмосфере Земли;
• антропогенное воздействие на околоземное космическое пространство;
• взаимодействие КА с окружающей средой (электризация, собственная внешняя
атмосфера, взаимодействие с твердыми частицами, радиационное воздействие,
в том числе единичные сбои в ЭРИ, и др.);
• моделирование в наземных условиях всех аспектов космической среды;
• рекомендации, касающиеся планетарного (помимо Земли) и спутникового мо-
делирования (поверхности, атмосферы, ионосферы, магнитосферы, предотвра-
щение химического и биологического загрязнения).
Разработка международных стандартов достаточно трудоемка и предусматривает
проведение 8 обязательных стадий. Каждая стадия заканчивается официальным го-
лосованием стран - членов ИСО, заинтересованных в разработке какого-либо стан-
дарта. Переход на каждую последующую стадию возможен только при условии дос-
тижения консенсуса по результатам голосования.
В настоящее время по тематике ИСО ТК 20/ПК 14/РГ 4 разрабатывается 6 меж-
дународных стандартов ИСО. В 2004 г. утвержден и введен в действие стандарт
ИСО 15390:2004 «Космическая среда (естественная и искусственная). Модель галак-
тических космических лучей». Головным разработчиком этого международного стан-
дарта выступала Россия (НИИЯФ МГУ). Естественно, что научно-технический уро-
вень международных стандартов достаточно высок, благодаря участию в их разра-
ботке специалистов всех стран - членов ИСО. Внедрение международных стандартов
будет способствовать повышению качества создаваемых образцов космической тех-
ники.
ГЛАВА 5.1
СТАНДАРТИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ...
1091
ПРИЛОЖЕНИЕ
Проблема «КАНОПУС»
Перечень нормативных документов по физическим условиям космического пространства, обеспечению
радиационной безопасности космонавтов и защите технических устройств, элементов и материалов
№ п/п Обозначение НД Наименование НД Дата введения
1 1.ФИ ГОСТ 25645.103-84 ЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА Условия физические космического пространства. Термины и определения | 01.01.1985
2 А ГОСТ 25645.101-83 КТИВНОСТЬ СОЛНЦА И ВЕРХНЯЯ АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для проектных 01.01.1985
3 ГОСТ 25645.102-83 баллистических расчетов искусственных спутников Земли Изменение № 1 Атмосфера Земли верхняя. Методика расчета характеристик вариаций 01.07.1989 01.01.1985
4 ГОСТ 25645.302-83 плотности Изменение № 1 Расчеты баллистические искусственных спутников Земли. Методика 01.07.1989 01.01.1985
5 РД 50-25645.120-85 расчета индексов солнечной активности Изменение № 1 Атмосфера Земли верхняя. Методика расчетов солнечной и геомагнитной 01.01.1993 01.01.1987
6 ГОСТ 25645.154-90 активности для определения плотности Атмосфера Земли верхняя. Модель химического состава 01.01.1992
7 ГОСТ 25645.153-90 Излучение атмосферы Земли рассеянное. Модель пространственно- 01.01.1992
8 ГОСТР временного распределения Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для баллистического 01.01.2005
9 25645.166-2004 ГОСТ 25645.147-89 обеспечения полетов искусственных спутников Земли Излучение в атмосфере Земли ионизирующее. Характеристики 01.01.1991
10 ГОСТР распределения потоков излучения Характеристики радиошумов в околоземном пространстве в диапазоне 01.07.1996
11 25645.163-96 ГОСТ 25645.113-84 частот от 0,1 до 50 МГц ИОНОСФЕРА ЗЕМЛИ Ионосфера Земли. Термины и определения 01.01.1985
12 ГОСТ 25645.146-89 Ионосфера Земли. Модель глобального распределения концентрации, 01.01.1991
13 ГОСТР температуры и эффективной частоты соударений электронов Ионосфера земли нижняя. Модель глобального распределения 01.07.1995
14 25645.157-94 ГОСТР концентрации и эффективной частоты соударений электронов для прогнозирования низкочастотных радиополей Ионосфера Земли верхняя. Модель распределения концентрации 01.07.1995
15 25645.158-94 ГОСТР электронов в плоскости геомагнитного экватора Антропогенное низкочастотное волновое воздействие на ионосферу 01.01.1996
16 25645.162-95 ГОСТ 25645.109-84 и магнитосферу Земли. Пространственно-временные и спектральные характеристики МАГНИТОСФЕРА ЗЕМЛИ И ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ Магнитосфера Земли. Термины и определения 01.01.1985
17 ГОСТ 25645.127-85 Магнитосфера Земли. Модель магнитного поля магнитосферных токов 01.01.1987
18 ГОСТ 25645.126-85 Изменение № 1 Поле геомагнитное. Модель поля внутриземных источников 01.07.1990 01.01.1987
19 ГОСТ 25645.155-91 Изменение № 1 Излучение в геомагнитном поле. Модель потоков протонов и электронов 01.07.1990 01.01.1992
20 ГОСТ 25645.119-84 низких энергий Излучения в магнитосфере волновые. Пространственно-временные 01.01.1986
21 ГОСТР и спектральные характеристики Модель электромагнитной обстановки 01.07.1995
25645.160-94 в околоземном пространстве
1092
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
№ п/п Обозначение НД Наименование НД Дата введения
22 ГОСТ 25645.104-84 КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ Лучи космические. Термины и определения 01.01.1985
23 ГОСТ 25645.105-84 Лучи космические солнечные. Термины и определения 01.01.1985
24 ГОСТ 25645.150-90 Лучи космические галактические. Модель изменения потоков частиц 01.01.1992
25 РД 50-25645.152-90 Лучи космические солнечные. Методика расчета временных изменений 01.01.1992
26 ГОСТР энергетического спектра протонов Лучи космические солнечные. Вероятностная модель потоков протонов 01.01.2002
27 25645.165-2001 ГОСТ 25645.116-84 Проникновение космических лучей в магнитосферу Земли. Термины 01.01.1986
28 ГОСТ 25645.121-85 и определения Проникновение космических лучей в магнитосферу Земли. Граница 01.01.1987
29 ГОСТ 25645.156-91 проникновения протонов Частицы заряженные квазизахваченные и высыпающиеся. Временные 01.01.1992
30 ГОСТ 25645.106-84 и энергетические характеристики РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ Пояса Земли радиационные естественные. Термины и определения 01.01.1985
31 ГОСТ 25645.138-86 Пояса Земли радиационные естественные. Модель пространственно- 01.01.1987
32 ГОСТ 25645.139-86 энергетического распределения плотности потока протонов Пояса Земли радиационные естественные. Модель пространственно- 01.01.1987
33 ГОСТР энергетического распределения плотности потока электронов Изменение № 1 Потоки электронов спорадические в околоземном пространстве. Модель 01.01.1997 01.07.1994
34 25645.159-94 ГОСТ 25645.108-84 пространственно-временного и энергетического распределений РЕНТГЕНОВСКОЕ И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ Излучение рентгеновское и гамма-излучение космические. Термины 01.01.1985
35 ГОСТ 25645.117-84 и определения Излучение рентгеновское и гамма-излучение диффузные 01.01.1986
36 ГОСТ 25645.118-84 и внегалактические. Характеристики углового и энергетического распределений Излучение космическое рентгеновское дискретных источников. 01.01.1986
37 ГОСТ 25645.131-86 Энергетические спектры и угловые координаты Изменение № 1 Излучение рентгеновское и гамма-излучение диффузные галактические. 01.01.1991 01.01.1987
38 ГОСТ 25645.132-86 Характеристики углового и энергетического распределений Гамма-излучение космическое дискретных источников. Энергетические 01.01.1987
39 ГОСТ 25645.129-86 спектры и угловые координаты СОЛНЕЧНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ Излучение рентгеновское солнечное. Временные характеристики 01.01.1987
40 ГОСТ 25645.130-86 Излучение рентгеновское солнечное. Амплитудные характеристики 01.01.1987
41 ГОСТ 25645.145-88 Излучение солнечное рентгеновское мягкое. Модель плотности потоков 01.01.1990
42 ГОСТ 25645.148-89 при отсутствии вспышек Гамма-излучение солнечное. Энергетический спектр 01.01.1991
43 ГОСТ 25645.151-90 Излучение солнечное рентгеновское жесткое. Энергетический спектр 01.01.1992
44 ГОСТ 25645.149-89 Излучение солнечное ультрафиолетовое коротковолновое. 01.01.1991
45 I ГОСТ 25645.110-84 Характеристики потоков СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР Ветер солнечный. Термины и определения I 01.01.1985
46 1 ГОСТ 25645.136-86 1 Ветер солнечный. Состав, концентрация частиц и скорость 1 01.01.1987
МЕЖПЛАНЕТНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
47 ГОСТ 25645.111-84 Поле магнитное межпланетное. Термины и определения 01.01.1985
48 ГОСТ 25645.135-86 Поле магнитное межпланетное. Пространственная модель регулярного поля 01.07.1987
49 ГОСТ 25645.137-86 Поле магнитное межпланетное. Пространственно-временные характеристики нерегулярного поля 01.07.1987
ГЛАВА 5.1
СТАНДАРТИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ...
1093
№ Обозначение Наименование Дата
п/п НД НД введения
МЕТЕОРНОЕ И ТЕХНОГЕННОЕ ВЕЩЕСТВО
50 ГОСТ 25645.128-84 Вещество метеорное. Термины, определения и буквенные обозначения 01.01.1985
51 ГОСТР 25645.167-2005 Космическая среда (естественная и искусственная). Модель пространственно-временного распределения плотности потоков техногенного вещества в космическом пространстве ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛУНЫ И ПЛАНЕТ 01.01.2006
52 ГОСТ 25645.143-88 Атмосферы планет. Термины и определения 01.07.1989
53 ГОСТР 25645.161-94 2. БЕЗОПАСН Поверхности Луны, Марса и Венеры. Радиофизические параметры ОСТЬ РАДИАЦИОННАЯ ЭКИПАЖА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ 01.07.1994
54 ГОСТ 25645.201-83 Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете (БРЭКАКП). Термины и определения Изменение № 1 НОРМЫ И ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ 01.01.1985 01.01.1991
55 ГОСТ 25645.215-85 БРЭКАКП. Нормы безопасности при продолжительности полетов до трех лет Изменение № 1 01.01.1987 01.01.1992
56 ГОСТ 25645.202-83 БРЭКАКП. Требования к индивидуальному и бортовому дозиметрическому контролю 01.01.1986
57 РД 50-25645.205-83 БРЭКАКП. Метод расчета радиационного риска 01.01.1985
58 РД 50-25645.222-90 БРЭКАКП. Общие требования к оперативному обеспечению безопасности полетов 01.01.1992
59 ГОСТР 25645.226-99 БРЭКАКП. Проверка эффективности защиты экипажа. Общие требования 01.07.2000
60 РД 50-25645.223-90 БРЭКАКП. Экспертиза системы обеспечения радиационной безопасности полета 01.01.1992
61 РД 50-25645.209-85 БРЭКАКП. Методика учета индивидуальных доз космонавтов в период их профессиональной деятельности 01.07.1987
РАДИАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
62 ГОСТ 25645.203-83 БРЭКАКП. Модель тела человека для расчета тканевой дозы 01.01.1985
63 ГОСТ 25645.204-83 БРЭКАКП. Методика расчета экранированности точек внутри фантома 01.01.1985
64 РД 50-25645.206-84 БРЭКАКП. Методика расчета ионизационных потерь и пробега тяжелых заряженных частиц 01.01.1986
65 РД 50-25645.207-85 БРЭКАКП. Методика расчета поглощенной и эквивалентной доз от многозарядных ионов космических лучей 01.01.1987
66 РД 50-25645.208-86 БРЭКАКП. Методика расчета поглощенной и эквивалентной доз от протонов космических лучей за защитой 01.07.1987
67 РД 50-25645.210-85 БРЭКАКП. Методика расчета энергетической плотности потоков протонов и нейтронов в космическом аппарате 01.07.1987
68 РД 50-25645.217-90 БРЭКАКП. Методика расчета микродозиметрических характеристик космических излучений 01.07.1991
69 ГОСТ 25645.211-85 БРЭКАКП. Характеристики ядерного взаимодействия протонов 01.07.1987
70 ГОСТ 25645.212-85 БРЭКАКП. Характеристики ядерного взаимодействия многозарядных ионов 01.01.1987
71 ГОСТ 25645.214-85 БРЭКАКП. Модель обобщенного радиобиологического эффекта 01.01.1987
72 РД 50-25645.220-90 БРЭКАКП. Коэффициенты качества космических излучений на околоземных орбитах 01.01.1992
73 ГОСТ 25645.218-90 БРЭКАКП. Зависимость коэффициента качества космических излучений от линейной энергии 01.01.1992
74 ГОСТ 25645.219-90 БРЭКАКП. Модель учета влияния пространственной неравномерности радиационного воздействия на обобщенный радиобиологический эффект 01.01.1992
1094
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕСИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
№ п/п Обозначение НД Наименование НД Дата введения
75 РД 50-25645.221-90 ЗАЩИТА ОТ РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ БРЭКАКП. Методика расчета эффективности электростатической защиты 01.01.1992
76 РД 50-25645.216-90 при радиационном воздействии БРЭКАКП. Метод расчета распределения поглощенной и эквивалентной 01.07.1991
77 РД 50-25645.225-90 доз космических излучений по толщине материалов на внешней поверхности космических аппаратов на орбитах, проходящих через естественные радиационные пояса Земли БРЭКАКП. Методика расчета оптимальной теневой защиты экипажа 01.07.1992
78 3. МОДЕЛИ ЭЛЕМЕНТ ГОСТ 25645.301-83 космического аппарата от воздействия ионизирующих излучений ядерного реактора ВОЗДЕЙСТВИЯ И ПОВРЕЖДЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ, ОВ И МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ Расчеты баллистические искусственных спутников Земли. Методика 01.01.1985
79 РД 50-25645.325-89 расчета затрат топлива на маневрирование Спутники Земли искусственные. Основные системы координат для 01.07.1990
80 РД 50-25645.1 14-84 баллистического обеспечения полетов и методика расчета звездного времени Модель излучения высокотемпературных газовых объемов для расчета 01.07.1985
81 ГОСТ 25645.321-87 теплообмена летательных аппаратов РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ Стойкость полимерных материалов радиационная. Термины 01.01.1989
82 ГОСТ 25645.323-88 и определения Материалы полимерные. Методы радиационных испытаний 01.01.1990
83 ГОСТ 25645.331-91 Материалы полимерные. Требования к оценке радиационной стойкости 01.01.1992
84 ГОСТР Материалы полимерные для космической техники. Требования к 01.01.1998
85 25645.338-96 ГОСТР испытаниям на стойкость к воздействию вакуумного ультрафиолетового излучения Материалы полимерные для космических аппаратов с ядерным 01.07.1995
86 25645.332-94 ГОСТР реактором. Требования к проведению радиационных испытаний Аэрофотопленки. Нормы радиационной стойкости 01.07.1995
87 25645.333-94 ГОСТР Аэрофотопленки, подвергнутые радиационному воздействию. Метод 01.07.1995
88 25645.334-94 РД 50-25645.308-85 химико-фотографической обработки Методика контроля флюенса и мощности поглощенной дозы 01.01.1987
89 РД 50-25645.309-85 при испытаниях материалов и технических устройств на ускорителях протонов Типовая методика экспериментального определения функции 01.01.1987
90 ГОСТР экранированности элементов и технических устройств от ионизирующих излучений внутри космического аппарата ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ Аппараты космические. Характеристики вторичного гамма-излучения 01.07.1995
91 25645.335-94 ГОСТР материалов конструкции Аппараты космические. Методика оценки характеристик 01.07.1995
92 25645.336-94 ГОСТР приповерхностного свечения на теневых участках орбиты Радиосистемы космических аппаратов. Радиофизическая модель 01.07.1995
25645.337-94 околосолнечной плазмы
ГЛАВА 5.2
СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ
ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА СТОЙКОСТЬ
К ВОЗДЕЙСТВИЮ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
Брискман Б.А.
Филиал Научно-исследовательского физико-химического института им. Л.Я. Карпова
НИИ ядерной физики МГУ
Список сокращений
ВУФ вакуумное ультрафиолетовое излучение
ГСО геостационарная орбита
КА космический аппарат
ЛПЭ линейная передача энергии
PC радиационная стойкость
УФ ультрафиолетовое излучение
ФКП факторы космического пространства
ЭМИС электромагнитное излучение Солнца
ВВЕДЕНИЕ
Для корректного определения результатов воздействия таких факторов, как заря-
женные частицы, электромагнитное излучение Солнца, атомарный кислород и т. п.
на элементы космических систем и материалы необходимо, с одной стороны, регла-
ментировать характеристики космической среды, а с другой - методы проведения
лабораторных испытаний.
Общие вопросы организации работ по стандартизации в области исследования
космического пространства и воздействия космической среды на материалы, элемен-
ты и технические устройства КА рассмотрены в гл. 5.1. Ниже приводятся сведения о
стандартах, относящихся к моделям воздействия и повреждениям элементов и мате-
риалов КА в условиях космического полета, а также методам их испытаний.
1096
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
5.2.1. Радиационная стойкость неметаллических материалов
В комплекс стандартов по этому разделу входят:
• ГОСТ 25645.321-87 «Стойкость полимерных материалов радиационная. Терми-
ны и определения»;
• ГОСТ 25645.323-88 «Материалы полимерные. Методы радиационных испыта-
ний»;
• ГОСТ 25645.331-91 «Материалы полимерные. Требования к оценке радиаци-
онной стойкости»;
• ГОСТ Р 25645.332-94 «Материалы полимерные для космических аппаратов с
ядерным реактором. Требования к проведению радиационных испытаний»;
• ГОСТ Р 25645.338-96 «Материалы полимерные для космической техники. Тре-
бования к испытаниям на стойкость к воздействию вакуумного ультрафиолето-
вого излучения»;
• ГОСТ Р 50109-92 «Материалы неметаллические. Метод испытания на потерю
массы и содержание летучих конденсирующихся веществ при вакуумно-теп-
ловом воздействии»;
• РД 50-25645.308-85 «Методические указания. Методика контроля флюенса и
мощности поглощенной дозы при испытаниях материалов и технических уст-
ройств на ускорителях протонов».
Термины и определения
ГОСТ 25645.321-87 впервые установил определения терминов, широко приме-
нявшихся в радиационном материаловедении органических полимеров, как в части
общих понятий, так и радиационных процессов в полимерных материалах, радиаци-
онных испытаний и радиационной защиты полимеров. Всего 67 основных и 28 до-
полнительных терминов.
Методы радиационных испытаний
ГОСТ 25645.323-88 устанавливает методы радиационных испытаний в процессе
радиационного или комбинированного радиационного воздействия по таким свойст-
вам, как удельная объемная электропроводимость, тангенс угла диэлектрических по-
терь и диэлектрическая проницаемость, радиационная ползучесть и радиационная
долговечность при растяжении полимерных материалов. Там же приведены методы
прогнозирования изменения указанных свойств на другие диапазоны мощности по-
глощенной дозы и растягивающего напряжения. Сюда же включен алгоритм и мате-
матическая программа расчета характеристических параметров радиационной элект-
ропроводимости при прогнозировании.
ГОСТ 25645.323-88 был разработан в развитие ОСТ 6-26-10-85 «Материалы по-
лимерные. Методы испытаний для определения и прогнозирования обратимых ра-
диационных изменений свойств», где наряду с указанными выше свойствами был
регламентирован также метод измерения теплоемкости материалов в процессе ра-
диационного воздействия (обратимые радиационные эффекты).
ГЛАВА 5.2
СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА СТОЙКОСТЬ...
1097
Что касается методов радиационных испытаний после радиационного или комби-
нированного радиационного воздействия (необратимые радиационные эффекты), то
они установлены в ГОСТ 9.706-81 «ЕСЗКС. Материалы полимерные. Методы испы-
таний на стойкость к радиационному старению». Здесь впервые регламентированы
коэффициенты запаса по поглощенной дозе для различных видов ионизирующих
излучений, учитывающие зависимость радиационного эффекта от величины линей-
ной передачи энергии (ЛПЭ), установлены методы прогнозирования радиационного
изменения свойств при ускоренных испытаниях на воздухе и в вакууме, представле-
ны стандартизованные ряды значений поглощенных доз и температур облучения,
рекомендован порядок определения пострадиационных эффектов.
На эластомеры распространяется ГОСТ 9.701-79 «ЕСЗКС. Резины. Метод испы-
таний на стойкость к радиационному старению». Сущность метода заключается в
том, что образцы подвергают воздействию фотонного ионизирующего излучения в
недеформированном и деформированном (при статической деформации сжатия)
состояниях на воздухе и в статическом вакууме при заданной температуре. Затем
определяют стойкость резин к указанному воздействию по величине поглощенной
дозы, при которой характерный показатель старения изменяется до заданной вели-
чины.
Характерными показателями старения являются один или несколько из следую-
щих показателей:
• условная прочность при разрыве;
• относительное удлинение в момент разрыва;
• твердость;
• статический модуль сжатия (при облучении в недеформированном состоянии);
• относительная остаточная деформация при сжатии;
• статический модуль сжатия;
• релаксация напряжения (при облучении в деформированном состоянии).
Для дозиметрии фотонного излучения рекомендуют использовать ферросульфат-
ный дозиметр при мощности поглощенной дозы 0,01-4 Гр-с-1 в интервале темпера-
тур от 5 до 50°С. Облучение проводят при заданных стандартом значениях погло-
щенных доз, зависящих от типа резины и вида характерного показателя. Эти значе-
ния приведены в приложении к стандарту.
По результатам облучения определяют значение поглощенной дозы, при которой:
• условная прочность и относительное удлинение в момент разрыва изменяются
на 25, 50 и 75% от исходного значения;
• статический модуль сжатия изменяется в 2, 5, 10 и 15 раз от исходного значе-
ния;
• релаксация напряжения достигает значения 0,2;
• относительная остаточная деформация при сжатии достигает значений 80 и
100%;
• твердость возрастает до 60, 80 и 98 международных единиц.
Специфика применения полимерных материалов в условиях одновременного воз-
действия смешанных излучений - гамма-нейтронного и заряженных частиц космиче-
ского пространства - рассмотрена в ГОСТ Р 25645.332-94 «Материалы полимерные
1098
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
для космических аппаратов с ядерным реактором. Требования к проведению радиа-
ционных испытаний». Стандарт устанавливает общие требования к проведению ис-
пытаний, методам дозиметрии смешанного гамма-нейтронного излучения, расчета
поглощенной дозы смешанного излучения, последовательности испытаний на воз-
действие протонов, фотонов и электронов. Предложен метод прогнозирования ра-
диационного индекса полимерного материала для физико-механических показателей.
В основе метода лежит суперпозиция времени и температуры облучения, а также
мощности поглощенной дозы.
Одним из важных характерных показателей радиационной стойкости материалов
космической техники, установленных ГОСТ 25645.331-91, является потеря массы в
процессе эксплуатации в космическом пространстве под воздействием глубокого
вакуума, атомарного кислорода, ионизирующего излучения, термоциклов и других
внешних факторов. Измерению потери массы в лабораторных условиях посвящен
ГОСТ Р 50109-92 «Материалы неметаллические. Метод испытания на потерю мас-
сы и содержание летучих конденсирующихся веществ при вакуумно-тепловом воз-
действии». Стандарт распространяется на неметаллические материалы наружных
поверхностей изделий космической техники, которые могут загрязнять продуктами
газовыделения расположенные близко к ним элементы изделий и окружающую
среду.
Сущность метода заключается в вакуумно-тепловом воздействии при определен-
ной температуре на образцы материалов, помещенные в специальные изотерми-
ческие контейнеры, и в улавливании выделившихся из образцов летучих конденси-
рующихся веществ охлажденными поверхностями (конденсирующими пластинами).
Потерю массы и содержание летучих конденсирующихся веществ определяют по
разности масс образца и конденсирующей пластины до и после эксперимента
(см. гл. 1.5).
Среди зарубежных стандартов следует отметить стандарт Европейского космиче-
ского агентства ESAPSS-1-706 «The particle and ultraviolet (UV) radiation testing of
space materials» и стандарт США ASTM E 512 «Standard Practice for Combined, Simu-
lated Space Environment Testing of Thermal Control Materials with Electromagnetic and
Particulate Radiation».
Оба стандарта распространяются на воздействие заряженных частиц и УФ-излу-
чения космического пространства. Первый из них является более общим и устанав-
ливает:
• некоторые характеристики излучений космической среды;
• требования к источникам излучения;
• требования к испытательному оборудованию;
• ограничения при проведении ускоренных испытаний;
• ограничения, связанные с электризацией образцов материалов;
• требования к дозиметрии излучений и т. п.
ASTM Е 512 уделяет больше внимания испытательному оборудованию - источ-
никам излучения, конструкции вакуумной камеры и методам контроля испытаний.
Здесь также рекомендованы виды показателей терморегулирующих покрытий, вклю-
чая потерю массы, и методы их измерения.
ГЛАВА 5.2
СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА СТОЙКОСТЬ...
1099
Выбор и классификация полимерных материалов
Общие требования к выбору полимерных материалов, работающих в условиях
радиационного старения, определяются существующими стандартами, в которых
дана их классификация в зависимости от функционального назначения и заданы
нормы стойкости материалов к радиационному старению для различных характер-
ных показателей старения. Стандарты разработаны в рамках системы ЕСЗКС (Единая
система защиты от коррозии и старения).
Оценка радиационной стойкости
В ГОСТ 25645.331-91 «Материалы полимерные. Требования к оценке радиацион-
ной стойкости» рассмотрен метод определения радиационной стойкости (PC) мате-
риалов. Метод основан на введении количественной характеристики PC материала с
целью сопоставления:
• различных материалов по их PC при одинаковых условиях радиационного воз-
действия;
• одного и того же материала при различных условиях радиационного воздей-
ствия.
За количественную оценку радиационной стойкости материала принимают ра-
диационный индекс. Он определяется как поглощенная доза D, [Гр] (при установле-
нии необратимых радиационных эффектов) или как мощность поглощенной дозы
Р, [Гр-с-1] (при установлении обратимых радиационных эффектов), при которой дос-
тигается значение арбитражного критерия PC по характерному или определяющему
характерному показателю PC материала при определенных условиях эксплуатации и
функциональном назначении материала.
За определяющий характерный показатель PC материала принимают тот харак-
терный показатель, при нахождении значений которого в пределах установленных
норм сохраняется работоспособность материала в изделии в процессе или после об-
лучения.
За арбитражный критерий PC материала принимают некое фиксированное отно-
сительное изменение характерного или определяющего характерного показателя PC
в процессе или после облучения в процентах со знаком «плюс» или «минус».
Арбитражный критерий PC материала не указывает на предел его работоспособ-
ности, как и критерий конечной точки в стандарте Международной Электротехниче-
ской Комиссии IEC 544.4-79 «Electrical insulating materials. Classification system on
radiation resistance». Арбитражный критерий PC устанавливают в зависимости от
функционального назначения материала в изделии для определяющих характерных
показателей PC.
Радиационные индексы должны сопровождаться информацией об условиях облу-
чения и измерения показателей: вид, энергия и мощность поглощенной дозы ионизи-
рующего излучения, среда, температура облучения, температура измерения, толщина
испытуемого образца. Совокупность указанной информации называют определите-
лем радиационного индекса. Введение радиационного индекса позволяет сделать
радиационную стойкость таким же свойством материала, как и любые другие тради-
ционные свойства - прочность, электро- и теплопроводность и т. п. - со своими еди-
1100
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
ницами измерения, зависимостью от температуры и других внешних воздействий.
Система радиационных индексов очень удобна для сбора информации в базы данных
с последующим их использованием для выбора материалов космической техники.
Стойкость к воздействию ультрафиолетового излучения
В отличие от рассмотренных выше стандартов, распространяющихся на ионизи-
рующие излучения высоких энергий, ГОСТ Р 25645.338-96 «Материалы полимерные
для космической техники. Требования к испытаниям на стойкость к воздействию
вакуумного ультрафиолетового излучения» устанавливает общие требования к испы-
таниям материалов на стойкость к воздействию электромагнитного излучения Солн-
ца в области вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ) в диапазоне длин волн
10-200 нм. Стандарт устанавливает, что испытания материалов на стойкость к воз-
действию ВУФ являются предварительным этапом испытаний на стойкость к воздей-
ствию электромагнитного излучения Солнца (ЭМИС).
Материалы, стойкие к воздействию ВУФ, должны пройти испытания на воздейст-
вие ближнего ультрафиолетового излучения (диапазон длин волн 200-400 нм) раз-
дельно или совместно с воздействием ВУФ. Стандарт исходит из положения о наи-
большем поражающем действии ВУФ в области длин волн ЭМИС.
В связи со спецификой взаимодействия ВУФ с полимерными материалами
спектр ВУФ допускается моделировать:
• излучением со спектральным распределением, приближенным к стандартизо-
ванному спектру излучения Солнца, в том числе ограниченным сверху по дли-
не волны 160-170 нм (например, излучением в разряде газообразного гелия,
водорода либо дейтерия);
• монохроматическим излучением в окрестности линии Лаймана La с длиной
волны 121,6 нм (например, в разряде криптона и ксенона):
• непрерывным излучением газоструйного источника ВУФ либо синхротронного
излучения.
В последнем случае необходимо обеспечить фильтрацию потока ВУФ от сопутст-
вующих заряженных частиц, нейтральных молекул и атомов.
Характерные показатели материала необходимо измерять в процессе облучения.
Допускается измерять необратимые эффекты в значениях характерных показателей
до и после облучения без нарушения вакуума в камере. Допускается проводить уско-
ренные испытания материалов на стойкость к воздействию ВУФ при определении
необратимых эффектов при кратности ускорения до 103. Предварительно для одного
из материалов того же класса, что и испытуемый, рекомендуется проверить зависи-
мость эффекта от облученности.
Для водородных, дейтериевых и гелиевых разрядных ламп рекомендуются дози-
метрические детекторы на основе фотоумножителей с покрытием из фосфоров. До-
пускается применять химический газовый дозиметр на основе кислорода. Для крип-
тоновых и ксеноновых ламп, кроме указанных выше, можно применять газовые до-
зиметры на основе закиси азота и углекислого газа.
Установлены арбитражные критерии стойкости к воздействию ВУФ для оптиче-
ских и триботехнических характеристик материалов.
ГЛАВА 5.2
СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА СТОЙКОСТЬ...
1101
5.2.2. Радиационная стойкость радиоэлектронной аппаратуры
Вопросам радиационной стойкости приборов в космическом пространстве посвя-
щен отраслевой стандарт ОСТ 134-1034-2003 «Аппаратура, приборы, устройства и
оборудование космических аппаратов. Методы испытаний и оценки стойкости бор-
товой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию элек-
тронного и протонного излучений космического пространства по дозовым эффек-
там».
Стандарт устанавливает методы испытаний радиоэлектронной аппаратуры КА с
учетом неравномерности поглощения энергии ионизирующих излучений космиче-
ского пространства по глубине материалов аппаратуры, замены испытаний на воз-
действие электронов и протонов испытаниями на воздействие гамма- и нейтронного
излучений и особенностей длительного действия низкоинтенсивных ионизирующих
излучений. Подробнее о методах проведения таких испытаний см. гл. 2.12.
5.2.3. Дозиметрия ионизирующих излучений
К сожалению, стандартизация не коснулась большинства проблем такой важной
области, как дозиметрия ионизирующих излучений в радиационном материаловеде-
нии. В ряде стандартов (см., например, ГОСТ 9.701, ГОСТ 9.706 и - наиболее под-
робно - ГОСТ Р 25645.338) вопросы дозиметрии обсуждаются как сопутствующие
при проведении радиационных испытаний.
Традиционные методы дозиметрии позволяют измерять флюенс заряженных час-
тиц, их энергию и плотность потока частиц. Во многих случаях именно флюенс час-
тиц принимают за адекватную меру радиационного воздействия на материалы. Эта
мера, являющаяся по существу экспозиционной дозой излучения, получила широкое
распространение из-за относительной простоты измерения флюенса.
Стандарт ESA PSS-1-706 рекомендует для измерения общего заряда использовать
цилиндр Фарадея с обязательным учетом выхода вторичных электронов. Стандарт
ASTM Е 512 также рекомендует применять цилиндр Фарадея как до испытаний, так и
в процессе их проведения. Допускается использовать твердотельные детекторы со-
вместно с многоканальным анализатором спектра.
ASTM Е 512 обращает особое внимание на проблему электрического заряжения
поверхности облучаемых образцов. Накопление электрического заряда может су-
щественно сказаться на точности определения потока частиц, падающих на обра-
зец. В частности, рекомендуется размещать параллельно поверхности образца про-
водящую металлическую сетку, которая перекрывает не более 1% поверхности об-
разца.
Стандарт РД 50-25645.308-85 «Методические указания. Методика контроля флю-
енса и мощности поглощенной дозы при испытаниях материалов и технических уст-
ройств на ускорителях протонов» - единственный документ, полностью посвящен-
ный проблеме дозиметрии при радиационных испытаниях. Он устанавливает мето-
дику контроля флюенса протонов па поверхности и внутри материалов и элементов
технических устройств с помощью пороговых детекторов для протонного излучения
1 102 СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ РАЗДЕЛ 5
с энергией в диапазоне 10-100 МэВ при флюенсе не менее Ю10 см-1. Метод порого-
вых детекторов заключается в измерении активности радионуклидов, которая про-
порциональна среднему по объему детектора флюенсу протонов. Пороговые детек-
торы устанавливают на поверхности и внутри материалов и технических устройств в
местах, определяемых программой испытаний.
Для контроля флюенса протонов на поверхности материалов и устройств исполь-
зуют измерение активности радионуклидов llC, l8F, 24Na, образованных в результате
ядерных реакций протонов с пороговыми детекторами, изготовленными из полиэти-
лена, фторопласта и алюминия толщиной 100, 50 и 200 мкм соответственно, а внутри
материалов и устройств - радионуклидов 65Zn, 56Со, 57Со и 58Со, образованных в де-
текторах из меди и никеля толщиной 10 мкм.
Активность радионуклидов измеряют методом спектрометрии гамма-излучения с
использованием сцинтилляционных или полупроводниковых детекторов. Относи-
тельная погрешность измерения флюенса на поверхности составляет 20-25%, а внут-
ри материалов и технических устройств - 30-50%.
5.2.4. Моделирование космической среды при радиационных испытаниях
С 1994 г. в рамках рабочей группы 4 «Космическая среда (естественная и искус-
ственная)» Подкомитета 14 «Космические системы и операции» Технического коми-
тета 20 «Авиация и космонавтика» Международной организации стандартизации
(ИСО) ведутся разработки серии стандартов ИСО по моделированию космической
среды при испытаниях материалов и элементов космической техники.
5.2.4Л. Общие подходы к моделированию
Разработка стандартов основывается на результатах анализа и обобщения накоп-
ленных научно-технических данных [1,2], что позволяет выделить:
• наиболее важные первичные факторы космического пространства (ФКП), оп-
ределяющие повреждение элементов космической техники в конкретных усло-
виях эксплуатации;
• индуцированные факторы, являющиеся результатом взаимодействия первич-
ных ФКП с КА и окружающей его средой;
• параметры факторов, которые необходимо принимать во внимание при прове-
дении наземных испытаний.
Кроме того, проводится классификация элементов космической техники и мате-
риалов по их функциональному назначению, химическому составу и расположению
на КА, а также учитываются характеристики орбиты и условия эксплуатации аппара-
та. На основании такого анализа определяется сочетание и последовательность воз-
действующих факторов при проведении испытаний.
В разрабатываемом комплексе стандартов необходимо установить, каким именно
образом следует моделировать различные факторы с учетом рассмотренных выше
исходных положений и требования адекватности результатов испытаний реальным
эффектам в натурных условиях.
ГЛАВА 5.2
СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА СТОЙКОСТЬ...
1103
5.2.4.2. Моделирование радиационного воздействия
Первым в указанной серии стандартов ИСО разработан проект стандарта 15856
«Космические системы и операции - Моделирование космической среды. Руково-
дство по облучению неметаллических материалов» («Space systems and operations -
Space environment simulation. Guideline for radiation exposure of nonmetallic materials»).
Исходное название проекта - «Моделирование космической среды при радиацион-
ных испытаниях материалов. 1. Неметаллические материалы».
Стандарт учитывает следующие виды излучений в космосе, воздействующие на
неметаллические материалы: заряженные частицы (электроны и протоны), ультра-
фиолетовое излучение и мягкое рентгеновское излучение Солнца, и распространя-
ется на изделия и элементы, в состав которых входят неметаллические материалы:
полимеры, стекла, керамики и т. п. Стандарт не относится к полупроводниковым
материалам, используемым в ЭРИ.
Характеристики космических излучений
Уровни излучений для различных орбит основаны на общепризнанных моделях,
доступ к которым обеспечивает информационная Web-система SPENVIS (Space Envi-
ronment Information System) [3]. На поверхности KA поглощенная доза определяется, в
основном, низкоэнергетическими видами излучения (электроны с энергией до 100 кэВ,
протоны с энергией до 0,5 МэВ, ВУФ, солнечное рентгеновское излучение).
Для унификации требований к моделированию космической среды могут быть
использованы типовые орбиты КА с характерными для каждой из них величинами
энергетического потока излучений разных видов [5, 6]. Кроме того, для каждой типо-
вой орбиты устанавливают значения критерия глубинного распределения поглощен-
ной дозы (см. ниже).
Классификация характерных показателей материалов космической техники
В связи с тем, что при облучении материалов ионизирующими излучениями кос-
мического пространства деградация материалов по отдельным свойствам определя-
ется различными участками спектра излучения, все характерные показатели неметал-
лических материалов разделяют на поверхностные и объемные.
К поверхностным характерным показателям относят поверхностную электропро-
водность, оптические (коэффициенты отражения, поглощения, излучения), адгезион-
ные (адгезия, адгезионная прочность) и триботехнические (коэффициент трения,
фрикционная долговечность, износостойкость) характеристики, накопление поверх-
ностного электрического заряда. Деградация материалов по этим показателям опре-
деляется, в основном, низкоэнергетической частью спектра корпускулярного излуче-
ния (не более 100 кэВ для электронов и 0,5 МэВ для протонов), а также всем спек-
тром солнечного рентгеновского и ультрафиолетового излучения. При этом основная
доля повреждений приходится на долю ВУФ [7].
К объемным характерным показателям относят такие свойства материала, дегра-
дация которых связана с объемными радиационными повреждениями, обусловлен-
ными высокоэнергетической частью спектра заряженных частиц. Радиационные по-
вреждения материалов изделий, находящихся за защитой толщиной более 10 мг-см-2,
1104
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
также обусловлены высокоэнергетической частью спектра. В группу объемных пока-
зателей входят все свойства, перечисленные в нормативной документации на неме-
таллические материалы и не вошедшие в перечень указанных выше поверхностных
свойств.
За меру радиационного воздействия на материалы по первой группе свойств для
корпускулярного излучения принимают энергетический поток на поверхности, пола-
гая, что 90% падающей энергии поглощается в приповерхностном слое толщиной в
единицы микрометров, а по второй группе - поглощенную дозу, усредненную по
толщине материала. Такой подход к выбору меры радиационного воздействия связан
с масштабным эффектом - зависимостью деградации материала от соотношения
толщин облученного и необлученного слоев.
Требования к моделированию отдельных параметров излучений
К моделируемым параметрам ионизирующих излучений космического простран-
ства относят вид излучения, его спектр и интенсивность.
Моделирование по виду ионизирующего излучения
Воздействие каждого вида излучения на неметаллические материалы при одной и
той же поглощенной энергии, интенсивности и температуре облучения специфично,
т. е. радиационные эффекты отличаются как количественно, так и качественно. Это
определяется особенностями радиационно-химических процессов, происходящих в
материалах, например, различной плотностью ионизации вещества. Рекомендуется
проводить радиационные испытания материалов путем воздействия тех же видов
излучений, что и в космическом пространстве. В первую очередь, это касается испы-
таний на стойкость по поверхностным свойствам. В ряде случаев, определяемых на-
стоящим стандартом, допускается замена одного вида ионизирующего излучения
другим, технически более удобным.
В связи с отсутствием в настоящее время как экспериментальных, так и теорети-
ческих данных о специфике воздействия низкоэнергетических протонов и электро-
нов, а также рентгеновского и ультрафиолетового излучений при одинаковой вели-
чине поглощенной дозы, не рекомендуется замена одного вида излучения другим из
перечисленных выше.
Для протонов и электронов высокой энергии, обуславливающих деградацию ма-
териалов по объемным свойствам, допускается замена одного вида излучения дру-
гим. Эта возможность замены была обоснована при анализе зависимости радиацион-
но-химических выходов различных продуктов радиолиза органических материалов
от вида ионизирующего излучения и рекомендована в стандарте России ГОСТ 9.706.
Затем она была подтверждена при исследовании специфики воздействия различных
видов излучений на полимерные материалы в широком диапазоне видов материалов
и их свойств [8]. Такая замена реализуется путем введения специальных коэффици-
ентов запаса к по поглощенной дозе, значения которых приведены в табл. 5.2.1.
При моделировании поглощенная доза D\ имитирующего излучения (при испыта-
ниях) в £раз больше, чем заданная поглощенная доза D2 имитируемого излучения
(при эксплуатации), т. е.
D\ — kD2.
ГЛАВА 5.2
СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА СТОЙКОСТЬ...
1105
Таблица 5.2.1
Значения коэффициентов запаса по поглощенной дозе
Вид имитирующего излучения Значения коэффициента к для имитируемого излучения
Тормозное излучение Гамма- излучение Электроны Протоны
Тормозное излучение (Е < 100 кэВ) 1,0 1,5 1,5 2,0
Гамма- или тормозное (Е> 100 кэВ) 1,5 1,0 1,0 2,0
Электроны (Е > 100 кэВ) 1,5 1,0 1,0 2,0
Протоны (Е > 200 кэВ) 1,5 2,0 2,0 1,0
При моделировании смешанного излучения, состоящего из п компонент, одним
моноэнергетическим видом излучения максимальную поглощенную дозу имити-
рующего излучения устанавливают из выражения:
D{ =tk,D2i,
Z = 1
где D2/ - поглощенная доза от /-ой компоненты имитируемого излучения; к, - соот-
ветствующие коэффициенты запаса из табл. 5.2.1.
При обсуждении проекта стандарта ИСО 15856 описанный выше подход вызвал
дискуссию среди специалистов. Ее результатом явилась формулировка о возможно-
сти замены одного вида ионизирующего излучения другим при наличии данных об
адекватности такой замены для данного класса материалов и интересующего свой-
ства. Необходимо отмстить, что стандарт ESA PSS-1-706 в ряде случаев допускает
замену заряженных частиц гамма-излучением изотопа 60Со.
Моделирование по спектру излучения
Зависимость радиационного отклика материала от спектра излучения связана, в
первую очередь, с определяющим влиянием спектра на глубинное распределение
поглощенной дозы.
Рекомендуются два метода моделирования спектра излучения:
• использование нескольких моноэнергетических пучков заряженных частиц с
различной энергией;
• преобразование моноэнергетического ионного пучка с помощью профилиро-
ванной фольги, толщина которой меняется от точки к точке по определенному
закону.
В первом случае подгонка спектра достигается изменением интенсивностей от-
дельных источников излучения.
Оценка корректности моделирования спектра излучения производится путем вве-
дения численной характеристики глубинного распределения поглощенной дозы из-
лучения в материале, соблюдение которой в заданных пределах гарантирует кор-
ректность метода. В качестве такой характеристики рекомендуется использовать по-
казатели экспоненты ц глубинного распределения поглощенной дозы, отнесенные к
1106
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
Рис. 5.2.1. Распределение поглощенной
дозы по толщине материала: 1 - каптон,
ГСО [9]; 2 - цериевое стекло,
полярная орбита 800 км [10]
плотности материала р. Эти глубинные рас-
пределения могут быть представлены в ви-
де суммы двух экспонент (рис. 5.2.1).
Первая из них соответствует припо-
верхностному слою толщиной 5-10 мкм,
вторая - слою толщиной от 10 до, как ми-
нимум, 100 мкм.
Значения ц/р, для случаев, показанных
на рис. 5.2.1, приведены в табл. 5.2.2.
При моделировании рассчитывают кри-
вые глубинного распределения поглощен-
ной дозы в заданном материале до глубины
100-150 мкм как для условий космической
среды на заданной орбите, так и для усло-
вий испытаний. Проводят их обработку,
представляя в виде двух экспонент, и опре-
деляют значения показателей (ц/р), под-
гонку которых выполняют, варьируя энер-
гию источников излучения и флюенсы частиц. В общем случае допустимое различие
между критериями распределения поглощенной дозы в натурных условиях и при
испытаниях составляет 30%.
Таблица 5.2.2
Критерии глубинного распределения поглощенной дозы
Орбита (ц/р)1,см2-г 1 (ц/р)2, см2-г 1
ГСО 3,0-103 1,22-102
Полярная, 800 км 4,2-103 1,46-102
Моделирование по интенсивности излучения
Как правило, испытания необходимо проводить при мощностях доз, существенно
превышающих те, что имеют место в космическом пространстве. Увеличение мощ-
ности поглощенной дозы при облучении в вакууме приводит к дополнительным эф-
фектам, которые, в сочетании с дозовыми эффектами (синергизм) в материалах, зна-
чительно затрудняют процессы моделирования.
Широко известная зависимость необратимых радиационных эффектов в полимер-
ных материалах от мощности поглощенной дозы связана, как правило, с воздействи-
ем кислорода и определяется радиационно-окислительной деструкцией полимерных
цепей. Такой зависимостью для эксплуатационных свойств полимерных материалов
при облучении в вакууме ранее пренебрегали, т. е. считали, что облучение в вакууме
соответствует режиму однозначности. Эти соображения представлены в стандарте
Международной электротехнической комиссии [11] и в стандарте России ГОСТ 9.706.
ГЛАВА 5.2
СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА СТОЙКОСТЬ...
1107
Возможное влияние интенсивности при облучении в бескислородной среде связыва-
ли с растворенным в материале кислородом.
Однако проведенный впоследствии анализ опубликованных данных [12] показал,
что для широкого класса полимеров радиационные изменения физико-химических
и эксплуатационных (механических, электрофизических, теплофизических, оптиче-
ских) свойств при облучении в вакууме зависят от мощности поглощенной дозы,
эффект достигает порядка величины и в ряде случаев зависимость носит немоно-
тонный характер.
Желательно для любого вида излучения перед проведением радиационных испы-
таний проверить справедливость предпосылки о режиме однозначности в интервале
мощностей доз, определяемом коэффициентом ускорения, для одного из материалов
того же класса, что и испытуемый материал. С этой целью проводят испытания мате-
риала по заданному свойству при различных значениях мощности дозы (не менее
трех значений, каждое из которых отличается на порядок от предыдущего, начиная,
как минимум, с 1 мГр-с"1). Температура образца во всех случаях должна быть одина-
ковой. За допустимую кратность ускорения принимают такое ее значение, при кото-
ром отличие в измеряемом необратимом эффекте по сравнению с предыдущим выхо-
дит за суммарную погрешность измерений характерного показателя материала и до-
зиметрии.
Если режим однозначности (независимость от мощности дозы) для данного ма-
териала и заданного свойства установлен, то допускается проведение всех видов
ускоренных радиационных испытаний неметаллических материалов в атмосфере
вакуума с рекомендуемым остаточным давлением не выше 10"2-10"3Па. Значение
максимальной мощности поглощенной дозы (или плотности энергетического пото-
ка на поверхности материала) определяется допустимым температурным режимом
образца.
Ускоренные радиационные испытания возможны только при условии кондицио-
нирования образцов материалов в атмосфере глубокого вакуума перед испытаниями
для удаления из них растворенного кислорода.
Источники ионизирующего излучения
Для моделирования воздействия заряженных частиц космического пространства
на материалы КА рекомендуется использовать ускорители разных типов и в некото-
рых случаях гамма-излучение 60Со.
В качестве источников ВУФ в диапазоне 10-200 нм в соответствии с требования-
ми ГОСТ Р 25645.338 и стандарта США ASTM Е512-94 рекомендуется использовать
водородные и дейтериевые разрядные лампы, а также аналогичные лампы с гелие-
вым наполнением.
5.2.4.3. Методы радиационных испытаний солнечных батарей
В серии документов ИСО разработан стандарт ISO/CD 23038 «Космические сис-
темы. Космические солнечные батареи. Испытания при облучении электронами и
протонами» («Space systems. Space solar cells. Electron and proton irradiation test meth-
ods»). Стандарт распространяется только на методы облучения и не включает в себя
1108
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
методы определения характеристик солнечных батарей. В нем рассматриваются ха-
рактеристики излучений космического пространства, описаны радиационные эффек-
ты, возникающие как в солнечных батареях, так и в их покрытиях, рекомендованы
процедуры испытаний - источники излучений, аппаратура, характеристики вакуума,
методы дозиметрии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Новиков Л.С. Современное состояние исследований взаимодействия космических аппаратов с окру-
жающей средой. В кн. Новые наукоемкие технологии в технике. Энциклопедия, т. 16. Воздействие
космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Под ред. Новикова Л.С.,
Панасюка М.Н. М.: ЭНЦИТЕХ, 2000, с. 14-41.
2. Акишин А.И., Новиков Л.С., Соловьев Г.Г. Воздействие потоков заряженных частиц высокой энергии
на материалы и элементы оборудования космических аппаратов. Там же, с. 164-205.
3. Space Environment Information System, http://www.spenvis.oma.be/spenvis.
4. Toupikov V.I. et al. Proc, of Workshop «Methodologies for Ground Simulation of the Space Environment»,
Southhampton, Great Britain, 1996, p. 11.
5. Новиков Л.С. Модели космических факторов поверхностного воздействия. В кн.: Новые наукоемкие
технологии в технике. Энциклопедия, т. 16. Воздействие космической среды на материалы и оборудо-
вание космических аппаратов. Под ред. Новикова Л.С., Панасюка М.Н. М.: ЭНЦИТЕХ, 2000, с. 98-125.
6. Briskman В., Belyakov A., Klinshpont Е., Stepanov V., Shavarin Y., Borson E., Novikov L., Makletsov A.
Space environment simulation at radiation tests of materials. Third Version of an International Standard. Proc,
of 8th Int. Symp. on «Materials in a Space Environment», Arcachon, France, 5-9 June 2000.
7. ГОСТ P 25645.338 Материалы полимерные для космической техники. Требования к испытаниям на
стойкость к воздействию вакуумного ультрафиолетового излучения. М.: Изд-во стандартов, 1996.
8. Брискман Б.А., Милинчук В.К. В сб.: 1 Всесоюзное Совещание по диэлектрическим материалам в экст-
ремальных условиях, т. 2. Суздаль, 1990, с. 239-256.
9. Haruvy Y. Rad. Phys. Chem., 1990, v. 35, p. 204.
10. Marco J. et al. Proc. 6th Int. Symposium on Materials in Space Environment. ESTEC, Noordwijk, the Nether-
lands, 1994, p. 77.
11. IEC 544.2-79. Electrical insulating materials - Determination of the effects of ionizing radiation. Part 2.
12. Briskman B.A., Klinshpont E.R., Stepanov V.F., Tlebaev K.B. Determination of dose rate effects in polymers
irradiated in vacuum. Joum. of Spacecraft and Rockets, 2004, v. 41, No 3, pp. 360-365.
ГЛАВА 5.3
СПРАВОЧНАЯ СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ПО СТОЙКОСТИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
К ВОЗДЕЙСТВИЮ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Галыгин А.Н., Тимофеев А.Н., Григоревский А.В.
О А О «Композит»
Список сокращений
БД база данных
КА космический аппарат
ССИО справочная система информационного обеспечения
ФКП факторы космического пространства
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, в конструкции космических аппаратов (КА) используются сотни
наименований материалов, каждый из которых характеризуется своим набором
эксплуатационных характеристик. В процессе эксплуатации КА эти материалы
подвергаются воздействию разнообразных повреждающих факторов космического
пространства (ФКП), что приводит к изменению их характеристик, причем интен-
сивность воздействия зависит как от окружающей обстановки и длительности эксп-
луатации конкретного КА, так и от местоположения материала на КА.
Разработчики и конструкторы должны выбирать материал, который мог бы по
своим свойствам использоваться в конкретном узле КА и при этом изменение его
эксплуатационных характеристик под воздействием ФКП в течение срока эксплуата-
ции не превышало бы заданную величину.
1110
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
Для решения этой задачи целесообразно создать единую для всех проектиров-
щиков и разработчиков КА базу данных (БД), в которой не только были бы пред-
ставлены материалы и изменения их свойств в процессе испытаний, но и учитывал-
ся бы ряд других факторов (например, опыт применения на изделиях отрасли).
Такая БД позволит разработчикам минимизировать время поиска и максимально об-
легчит процесс подбора оптимальных материалов при заданных условиях эксплуа-
тации КА.
С этой целью в ОАО «Композит» была разработана справочная система информа-
ционного обеспечения (ССИО) по стойкости неметаллических материалов к воздей-
ствию повреждающих ФКП.
Первоначально ССИО предназначалась исключительно для решения ограничен-
ного круга задач, касающихся анализа допустимости применения материалов в
изделиях отрасли по результатам их испытаний в наземных лабораторных условиях.
Однако в процессе работы стало ясно, что ее возможности гораздо шире: оказалось,
что при решении вопросов применимости материалов в конструкции КА целесо-
образно дополнительно использовать информацию, отражающую имеющийся опыт
применения указанных материалов в изделиях отрасли.
Кроме того, в рамках ССИО была создана и размещена в сети Internet специальная
информационная структура (рубрикатор), цель создания которого - предоставить
возможность заинтересованным сторонам самостоятельно осуществлять поиск и
обращаться для получения информации непосредственно к тем результатам в те
организации, где проводились испытания необходимых материалов.
Еще одной целью создания ССИО является сохранение накопленной информа-
ции по неметаллическим материалам, не вошедшей в нормативные документы и
справочники.
5.3.1. Построение и использование справочной системы
ССИО представляет собой многофункциональную открытую и гибкую систему,
организованную в виде набора таблиц, запросов и форм программы Microsoft Access
и предназначенную для сбора, централизованного хранения, анализа и выдачи ко-
нечным пользователям данных по стойкости неметаллических материалов, приме-
няющихся в изделиях отрасли.
Многофункциональность ССИО заключается в том, что она может использовать-
ся для решения обширного класса задач, связанных с проведением испытаний и вы-
бором материалов. С ее помощью возможно, в частности, осуществление различных
выборок по классам материалов, режимам воздействия, характеристикам, использо-
ванию на изделиях отрасли и т. д.
Открытость ССИО обеспечена возможностью ее модернизации и расширения для
конкретных целей и задач, в том числе путем введения новых таблиц и установки
новых связей без потери существующей функциональности.
Гибкость ССИО характеризуется возможностью создания практически любых
запросов в зависимости от необходимых критериев поиска информации.
ГЛАВА 5.3 СПРАВОЧНАЯ СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПО СТОЙКОСТИ...
1111
5 .3.1.1. Структура базы данных
БД состоит из ряда таблиц, которые содержат информацию о материалах и изде-
лиях, процессах воздействия, методах и режимах испытаний. В соответствии с пра-
вилами построения реляционной БД проведено структурирование данных в целях
исключения дублирования заносимой в БД информации и увеличения скорости дос-
тупа к данным. Благодаря этому в каждой таблице хранятся сведения строго опреде-
ленной тематики. Все таблицы размещены в рамках одной БД и сгруппированы по
определенной тематической направленности.
Основной в БД является таблица «Материалы». Каждому материалу в таблице
присвоен идентификационный номер, чем обеспечивается уникальность записи. Во
всех таблицах, предназначенных для хранения информации по результатам испыта-
ний или по применению материалов в изделиях, используется специальное поле, в
которое заносится идентификационный номер материала и по которому осуществля-
ется связь с таблицей «Материалы». При этом в другие таблицы можно не включать
те поля (наименование, марка материала, состав и т. д.), которые уже присутствуют в
данной таблице, поскольку на этапе составления запросов из нее можно будет, при
необходимости, извлечь всю информацию по конкретному материалу.
Таблица «Изделия» предназначена для хранения сведений об изделии в целом:
наименование, сроки, воздействующие факторы и их уровни, а также другие сведе-
ния, приводимые в ведомостях применимости материалов на изделие.
Таблицы «Стандарты» и «Методики испытаний» предназначены для хранения
сведений о нормативной документации на материалы, проведение испытаний и из-
мерений.
В таблицы «Характеристики материалов» и «Исходные значения характеристик»
занесена информация о всех характеристиках материалов и исходные значения этих
характеристик из нормативной документации на материалы. Использование таблицы
«Исходные значения характеристик» в виде подчиненной формы позволяет не только
просматривать результаты, полученные в процессе испытаний, но и оценивать изме-
нение характеристик относительно исходных, а также контролировать соответствие
самого материала требованиям нормативной документации.
Группы таблиц «Радиационное воздействие», «Термоциклирование», «Газовыде-
ление» (с таблицей «Предварительная термообработка») предназначены для занесе-
ния и хранения информации соответственно по радиационной стойкости материалов,
изменению их свойств в процессе воздействия знакопеременных температур (термо-
циклирования) и вакуумно-теплового воздействия (газовыделения).
Таблица «Воздействие» используется для указания, какому воздействию подвер-
гался материал в процессе испытаний.
Группа таблиц «ВПМ» предназначена для занесения и хранения информации,
представляемой в ведомостях применимости материалов: материал, в каком узле и в
каких условиях он применяется, каково его назначение, с каким материалом контак-
тирует и на основании чего был сделан выбор о допустимости его применения в дан-
ном изделии. Эти же таблицы могут использоваться для подготовки и выпуска ведо-
мостей применимости на предприятиях.
Управление таблицами и выборка данных производится на этапе создания запро-
сов с помощью связей, устанавливаемых между таблицами.
1112
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
5 .3.1.2. Примеры организации запросов и представления данных
Рассмотрим некоторые примеры организации запросов и представление данных
согласно этим запросам.
X ® I % I- -
Рис. 5.3.1. Организации запроса на выборку материалов,
отвечающих требованиям ГОСТ Р 50109
по параметрам газовыделения
Первый запрос (рис. 5.3.1, табл. 5.3.1 и 5.3.2) относится к поиску материалов, про-
шедших испытание на газовыделение и удовлетворяющих требованиям ГОСТ Р 50109
(обшая потеря массы менее 1%, содержание ЛКВ менее 0,1%) из всего объема данных
по газовыделению материалов с учетом возможной предварительной термообработки
(длительность и температура). Вообще говоря, в данном запросе можно задавать до-
Таблица 5.3.1
Исходный вид таблицы с данными по газовыделению материалов
Материал Т ермообработка ОПМ ЛКВ Конденсат
137 1 0,21 0,04 незначительный серый налет
152 0 0,29 0,02 едва заметный налет
126 8 0,2 0,05 матовый налет
Таблица 5.3.2
Представление данных для материалов, отвечающих требованиям ГОСТ Р 50109
Материал Температура Длительность ОПМ ЛКВ Конденсат
Войлок ТС 120 24 0,21 0,04 незначительный серый налет
Герметик УФ7-21 0,29 0,02 едва заметный налет
Гетинакс А 100 72 0,2 0,05 матовый налет
ГЛАВА 5 3 СПРАВОЧНАЯ СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПО СТОЙКОСТИ...
1113
полнительные ограничения и искать, к примеру, не все материалы, а только клеи или
только стеклотекстолиты, или выбирать материалы, соответствующие требованиям
указанного стандарта в состоянии поставки. Если же в запросе на выборку
(рис. 5.3.1) добавить таблицу «Стандарты» и установить необходимую связь, то в
табл. 5.3.2 можно будет дополнительно вывести нормативный документ на данный
материал.
Второй запрос (табл. 5.3.3 и 5.3.4) относится к выводу данных по клеевым соеди-
нениям, применяемым в изделиях отрасли, в соответствии с видом их представления
вВПМ.
Таблица 5.3.3
Данные по клеевым соединениям
№ п/п № изделия № материала Указан стандарт Детали- ровка Назначение клея Склеиваемый материал 1
198 4 268 ТУ 38.105540-85 127 1 491
Таблица 5.3.4
Форма вывода данных по клеевым соединениям в соответствии с их представлением в ВПМ
Изде- лие Мате- риал нтд Указан стандарт Узел Местопо- ложение Назна- чение Склеиваемый материал 1
17Ф119 Клей 88НП ост 92-0948-74 ТУ 38.105540-85 17Ф119 2910-0 НГО Склеи- вание Материал облицовочный АЗТс
Из сопоставления табл. 5.3.3 и 5.3.4 видно, что в их структуре имеются различия
Это объясняется тем, что, например, по полю «Деталировка» в табл. 5.3.3 обеспечи-
вается связь с входящей в группу «ВПМ» таблицей «ВПМ_Изделие_Деталировка»,
которая включает 8 полей, причем эти поля могут быть выведены на этапе представ-
ления данных. В нашем случае вместо числового поля «Деталировка» выводятся со-
ответствующие этому номеру текстовые поля «Узел» и «Местоположение».
ССИО позволяет организовать вывод занесенной в БД информации для после-
дующего анализа и использования практически любого вида и сложности, неза-
висимо от того, как она занесена в БД.
В табл. 5.3.5 и 5.3.6 представлены в дсте^т^толитсгэФ-Г — — -
систематизированном виде данные по г^генгугп^элек-риче^^^ь при
изменению свойств стеклотекстолитов частоте пеги
различных марок в зависимости от по-
глощенной дозы.
Вывод запрашиваемой информации
можно осуществлять как в табличном,
так и в графическом виде. В качестве
примера на рис. 5.3.2 показана форма
представления данных по изменению
значений эксплуатационных характе-
Рис. 5.3.2. Форма представления данных по
изменению значений эксплуатационных
характеристик в процессе термоциклироваиия
1114
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
Таблица 5.3.5
Изменение свойств стеклотекстолитов в зависимости от поглощенной дозы
Марка Вид ИИ Среда Доза, Мрад Исследуемая характеристика Начальное значение Конечное значение
СК-4К гамма воздух 50 предел прочности при изгибе, МПа 82 94
СК-4К гамма воздух 100 предел прочности при изгибе, МПа 82 88
СК-101К гамма воздух 50 предел прочности при изгибе, МПа 49 63
СК-101К гамма воздух 100 модуль упругости при изгибе, 10’ МПа 13 14
СТЭФ-1 электроны вакуум 10 тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц 0,0150 0,0154
КАСТ-В электроны вакуум 10 тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц 0,0060 0,0063
Таблица 5.3.6
Перечень материалов, изменение физико-механических характеристик которых
при поглощенных дозах от 100 до 1 000 Мрад не превышает 50%
Материал Вид ИИ Среда Доза, Мрад Исследуемая характеристика Начальное значение Конечное значение
Клей 88 СА гамма вакуум 200 прочность при отслаивании, Н ем-1 13,24 6,67
Полиэтилен- терефталат гамма воздух 120 предел прочности при растяжении, МПа 130 123
Полиэтилен- терефталат гамма воздух 150 предел прочности при растяжении, МПа 130 108
Полиэтилен- терефталат гамма воздух 120 относительное удлинение при разрыве, % 38 24
ристик в процессе термоциклирования в табличном и графическом виде. При
этом исходные данные заносятся и хранятся в соответствующей таблице в число-
вом виде.
Таким образом, ССИО позволяет:
• хранить и осуществлять представление информации по результатам лаборатор-
ных испытаний неметаллических материалов;
• проводить оценку стойкости материалов к воздействию различных повреж-
дающих ФКП;
• проводить поиск материала (материалов определенной группы или нескольких
групп), отвечающих заданным критериям;
• определить возможность использования конкретного материала при заданных
условиях эксплуатации или показать, какие материалы используются при за-
данных условиях и назначении в изделиях отрасли.
ГЛАВА 5 3 СПРАВОЧНАЯ СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПО СТОЙКОСТИ...
1115
5.3.2. Структура рубрикатора
Как было указано выше, в рамках ССИО создана специальная информационная
структура (рубрикатор), в которой представлена в систематизированном виде
информация по проведенным организациями отрасли испытаниям материалов за
исключением самих результатов.
Целесообразность его создания определялась двумя факторами. Во-первых, ос-
новной объем данных по результатам испытаний находится в распоряжении орга-
низаций отрасли и смежных отраслей, занимающихся проведением испытаний в ин-
тересах отрасли, и в настоящее время передача этих данных для наполнения ССИО
по ряду причин проблематична. А во-вторых, заинтересованные стороны смогут са-
мостоятельно осуществлять поиск и напрямую обращаться за результатами в орга-
низации, где проводились соответствующие испытания материалов.
Структурно рубрикатор представляет собой БД, состоящую из 5 таблиц (рис. 5.3.3):
«Группа материалов», «Материал», «Вид воздействия», «Характеристики», «Владе-
лец информации» и «Рубрикатор». Для облегчения поиска все материалы разделены
на группы по функциональному назначению (например, а - резины, б - клеи и мас-
тики, в - электроизоляционные материалы), причем на Web-узле в сети Internet каж-
дой группе отведена отдельная страница.
Рис. 5.3.3. Общая структура рубрикатора и связей
между таблицами
В таблице «Материалы» указываются наименование и марка материала, к какой
группе материалов он относится и нормативный документ на него. Содержание
таблиц «Вид воздействия», «Характеристики» и «Владелец информации» соответ-
ствует их названию. В процессе анализа переданных предприятиями и организаци-
ями для рубрикатора данных было решено представить эти сведения в виде отдель-
ных таблиц, поскольку они достаточно часто повторяются (на настоящий момент, в
целях оптимизации и удобства просмотра данных, таблица «Владелец информации»
1116
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕСИСГЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
Таблица 5.3.7
Вид таблицы «Рубрикатор»
№ п/п Материал Воздействие Характеристика
1 2 1 1 1 1 1 3
3 2 1 1
4 2 1 3
5 3 1 1
6 3 1 3
в рубрикаторе не используется). В таблице «Рубрикатор» (см. табл. 5.3.7) произво-
дится объединение данных из указанных выше таблиц.
Информация для конечного пользователя будет отображаться в виде, представ-
ленном в табл. 5.3.8.
Таблица 5.3.8
Представление данных таблицы «Рубрикатор» для конечного пользователя
Название Марка Стандарт Воздействие Характеристика
Клей 88 Н ОСТ 92-0949 у-облучение 120 Мрад динамика газовыделения
Клей 88 Н ОСТ 92-0949 у-облучение 120 Мрад прочность на сдвиг
Клей 88 НП ТУ 38.105540 электронное облучение предел прочности при отслаивании
Клей 88 НП ТУ 38.105540 вакуумно-тепловое воздействие газовыделение
Клей 88 СА ТУ 38.1051760 вакуумно-тепловое воздействие газо выделение
Клей 88 СА ТУ 38.1051760 электронное облучение предел прочности при отслаивании
Клей 88 СА ТУ 38.1051760 вакуумно-тепловое воздействие динамика газовыделения
Такой вид представления данных является стандартным и не зависит от выбран-
ной для просмотра группы материала, т. е. страницы Web-узла. Здесь, в отличие от
ССИО, при выводе на экран монитора название и марка материала будут находиться
в разных полях. Это позволит пользователю осуществлять поиск по марке материала
(при наличии достаточно большого количества записей, которые будут находиться в
таблице в несистематизированном виде) и/или производить выборку по любым дру-
гим критериям с использованием реализованных программными средствами проце-
дур, что, однако, потребует установки и поддержки провайдером соответствующего
программного обеспечения.
ГЛАВА 5.4
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ «КОСМОТЕСТ» ПО РАДИАЦИОННОМУ
И КОСМИЧЕСКОМУ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ
Шаварин Ю.Я., Смолянский А.С., Лунин А.В., Никитин Д.В., Суминов С.И.
Филиал Научно-исследовательского физико-химического института им. Л.Я. Карпова
Список сокращений
БД база данных
ИТ информационные технологии
ИТС информационно-технологическая система
КА космический аппарат
РИ радиационные испытания
РПЗ радиационные пояса Земли
УФ ультрафиолетовое (излучение)
ФКП факторы космического пространства
ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени накоплено большое количество экспериментальных дан-
ных по изменению определяющих эксплуатационных характеристик материалов и эле-
ментов оборудования космических аппаратов (КА) при воздействии факторов косми-
ческого пространства (ФКП) [1-14]. В последние годы стали активно развиваться
работы по созданию баз данных (БД) в рассматриваемой области исследования, в том
числе с участием зарубежных партнеров [14]. На основе создаваемых БД возможно
составление аналитических и прогностических обзоров с целью обеспечения разви-
тия космической отрасли, что позволяет сокращать объемы и сроки работ.
Информация о создаваемых БД [15-17], как правило, размещается на Web-узлах
Internet. Так реализуется пассивный режим взаимодействия между поставщиком ин-
формации и потребителем. Потребитель, получая информацию, содержащуюся в БД,
не имеет возможности влиять на ее параметры и оценить степень ее достоверности.
1118
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
Поэтому назревает необходимость реализации интерактивного режима во взаимо-
действии между поставщиком информации и потребителем, когда последний полу-
чает возможность влиять на все стадии получения и анализа экспериментальных
данных - от постановки эксперимента до его проведения и математической обработ-
ки результатов [18, 19].
В настоящей главе приводится информация о созданной в филиале НИФХИ БД
по воздействию ФКП на материалы и ведущейся разработке интерактивной инфор-
мационно-технологической системы «КосмоТест».
5.4.1. База данных «РадМат» по воздействию факторов космического
пространства на материалы
База данных «РадМат» [15] (далее по тексту - БД) включает результаты испыта-
ний, проведенных в филиале ФГУП НИФХИ им. Л.Я. Карпова в течение последних
40 лет по заказам предприятий космической отрасли.
5.4.1.1. Структура базы данных
Ядро БД состоит из пяти взаимосвязанных таблиц:
• таблица, содержащая список материалов с указанием марки материала, хими-
ческой основы, типа материала и стандарта на его производства;
• таблица видов материалов;
• таблицы по группам свойств;
• таблицы по видам излучений;
• таблица результатов испытаний, содержащая: наименование материала, вид ма-
териала, группу свойств, вид излучения, мощность дозы, температуру облуче-
ния, другие условия облучения, а также данные по результатам испытаний.
Выбор максимально достоверных результатов испытаний по радиационной стой-
кости органических материалов был основан на данных, опубликованных в справоч-
никах, научных статьях, трудах конференций, а также на данных, содержащихся в
отчетах и протоколах испытаний, проведенных по заказам предприятий.
5.4.1.2. Виды материалов
В результате анализа химической структуры и функциональных характеристик
все рассмотренные материалы были разделены на 36 групп (табл. 5.4.1).
5.4.1.З. Вид излучения
БД представляет результаты испытаний на радиационную стойкость материалов
под действием гамма-, электронного, протонного, реакторного и электромагнитного
излучений. Виды и характеристики использовавшихся излучений.
1. Гамма.
Источники 60Со с энергией у-кванта 1,25 МэВ были использованы для у-облуче-
ния. Большинство данных было получено в диапазоне мощностей дозы
0,01-800 Гр-с"1. Облучение проводили как на воздухе, так и в вакууме.
ГЛАВА 5.4 РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «КОСМОТЕСТ»...
1119
Разделение материалов на группы
Таблица 5.4.1
№ группы Наименования групп материалов Коли- чество № группы Наименования групп материалов Коли- чество
1 Г ерметики 93 18 Материалы текстильные (волокна, ленты текстильные, 634
2 Грунты и шпаклевки 34 нити, ткани, шнуры)
3 Железо и стали 63 20 Органические вещества 13
4 Изделия и техника 144 21 Органопластики 201
5 Кабели, провода и соединители 109 22 Пеноматериалы 77
6 Каучуки 97 23 Пленки полимерные 457
7 Керамики и керамические материалы 86 24 Покрытия 326
Клеи и клеевые соединения 318 25 Полимеры (кроме 685
8 полиорганосилоксанов)
9 Компаунды 187 26 Полиорганосилоксаны 105
10 Композиции 67 27 Рабочие жидкости, масла 88
11 Краски 74 и смазки
12 Лаки 75 29 Смолы и полимерные связующие 125
13 Лакоткани и лакостеклоткани 39 30 Стекла(неорганические 340
14 Ленты полимерные 74 и органические)
31 Стеклопластики 276
15 Материалы (кроме материалов 316 и стеклотекстолиты
неорганических, материалов прессовочных, материалов 32 Трубки 44
текстильных, стеклопластиков, 33 Углепластики
стеклотекстолитов, о
углепластиков и др.) 34 Фторопласты 118
16 Материалы неорганические 155 35 Эластомеры 129
17 Материалы прессовочные 198 36 Эмали 164
2. Электроны.
Для электронного облучения применяли линейный ускоритель электронов
ЭЛУ-2-8. Энергия электронов была равна 9 МэВ. Мощность дозы - от 10 до
1000 Гр-с"1. Среда при облучении: воздух, азот и вакуум. Часть данных была
получена на линейных ускорителях электронов с энергией электронов
20-400 кэВ. Среда при облучении: вакуум; мощность дозы: 10-500 Гр-с"1; ве-
личина поглощенной дозы - до 10 000 МГр.
3. Протоны.
Результаты были получены при облучении протонами с энергией 20-200 кэВ.
Среда при облучении: вакуум; флюенс - до 1019 см"2 3 4.
4. Электромагнитное излучение.
Большая часть образцов облучалась в диапазоне длин волн, моделирующих
внеатмосферное излучение Солнца в области длин волн от 0,2 до 2,5 мкм.
1120
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
Для этой цели применяли ксеноновые дуговые лампы сверхвысокого давления
типа ДКсШРБ-3000; ДКсШРБ-5000. Часть данных была получена с помощью
ртутных ламп типа ПРК-2.
Условия облучения: вакуум; величина экспозиции - до 1500 эквивалентных
солнечных суток; кратность увеличения интенсивности в ультрафиолетовой
области солнечного спектра: 1-10.
5. Реакторное излучение.
Образцы были облучены на атомном реакторе типа ВВР-Ц в НИФХИ
им. Л.Я. Карпова, в его экспериментальных вертикальных и горизонтальных
каналах и нише тепловой колонны.
Виды излучений: смешанное п, у-излучение и фильтрованное нейтронное из-
лучение. Удельный поток нейтронов 1013 см"2-с-1.
Условия облучения - воздух, вакуум; величина поглощенной дозы - вплоть
до 10 МГр.
5.4.1.4. Группы свойств
БД содержит результаты исследования механических, оптических, электрофизи-
ческих и теплофизических свойств материалов после облучения, а также данные по
потере массы и газовыдслению облученных образцов. Данные представлены в гра-
фическом и табличном виде.
Механические параметры
Приведены результаты испытаний следующих механических параметров мате-
риалов:
• предел прочности при растяжении сур;
• относительное удлинение при разрыве 8Р;
• разрывное напряжение FI d\
• предел прочности при сдвиге тсдв;
• предел прочности при сжатии псж;
• удельная ударная вязкость
• модуль упругости £;
• прочность на расслоение;
• твердость по Шору;
• параметры крипа;
• параметры долговечности.
Оптические свойства
В БД представлена информация по следующим оптическим характеристикам
облученных материалов:
• as и - редуцированный (интегральный) и спектральный коэффициент по-
глощения солнечного излучения (в области спектра от 0,2 до 2,5 мкм);
• Да$ - изменение интегрального коэффициента поглощения солнечного излу-
чения;
ГЛАВА 5.4 РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «КОСМОТЕСТ»...
1121
• и тх - редуцированный (интегральный) и спектральный коэффициент про-
пускания солнечного излучения;
• р5 и рх - редуцированный (интегральный) и спектральный коэффициенты от-
ражения солнечного излучения;
• - редуцированный (интегральный) коэффициент теплового излучения в по-
лусферу;
• D и D/x - оптическая плотность и относительная оптическая плотность, нор-
мированная на единицу толщины образца;
• спектры поглощения;
• изменения внешнего вида и окраски материалов;
• группы относительной радиационной и световой стабильности.
Диэлектрические свойства
Следующие диэлектрические характеристики облученных материалов представ-
лены в БД:
• 8 - диэлектрическая проницаемость;
• tg 5 - тангенс угла диэлектрических потерь;
• £пр - электрическая прочность.
В БД приведены зависимости этих параметров от температуры и частоты для
различных поглощенных доз и условий облучения (с изменением условий облуче-
ния, температуры и мощности дозы). Кроме того, представлены результаты по из-
менению рассматриваемых параметров непосредственно при воздействии ионизи-
рующего излучения на образцы для различных частот, включая сверхвысокие час-
тоты.
Проводимость
В БД представлены следующие данные:
• данные по удельной объемной и поверхностной проводимости исходных и об-
лученных образцов;
• данные о влиянии на указанные параметры величины поглощенной дозы и ус-
ловий облучения (атмосфера, температура, мощность дозы, механическое дав-
ление);
• радиационно-индуцированная объемная (<эг) и поверхностная (ар) проводи-
мость.
Показано влияние на рассматриваемые параметры мощности дозы, величины
приложенного напряжения и температуры. Также приведены данные по влиянию
физической структуры материалов (степень кристалличности, ориентация полимер-
ных цепей, закалка и отжиг образцов) на их проводимость.
Теплофизические свойства
Теплофизические свойства исходных и облученных материалов могут быть оха-
рактеризованы величинами коэффициентов теплопроводности X, удельной тепло-
емкости С, температуропроводности я, линейного 0 и объемного а термического
1122
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
расширения, а также величиной плотности материала р. Кроме того, для аморфно-
кристаллических полимеров приводятся значения температуры плавления Тт и сте-
пени кристалличности X.
Газовыделение
Большинство данных по составу газообразных продуктов, представленных в БД,
было получено методом хромато-масс-спектрометрии.
В качестве меры количества выделившихся газовых продуктов было принято зна-
чение радиационно-химического выхода G, который характеризует число молекул
газов на 100 эВ поглощенной энергии. БД дает также значения массы и объема выде-
лившихся газов на единицу массы образца при нормальном давлении.
Для получения данных по радиационно-индуцированному газовыделению приме-
няли следующую методику: образцы помещались в ампулу (стеклянную, кварцевую
или металлическую), которая откачивалась до высокого вакуума, запаивалась и затем
облучалась. После облучения измеряли давление выделившихся газов и их качест-
венный и количественный состав.
Потери массы - &G
Была использована следующая методика для определения величины радиацион-
но-индуцированных потерь массы: определяли начальный вес образца, а затем обра-
зец помещали в ампулу и в течение нескольких дней проводили ее откачку до высо-
кого вакуума. После этого образец вновь взвешивали при атмосферном давлении.
Затем ампула с образцом опять откачивалась, и образец облучался в вакууме. После
облучения проводили повторное взвешивание образца.
5.4.1.5. Сводные таблицы данных по стойкости материалов к воздействию ФКП
На основе анализа БД «РадМат» и других источников подготовлены сводные таб-
лицы по воздействию на материалы КА различных ФКП: вакуума, ультрафиолетово-
го (УФ) излучения Солнца, протонов (р) и электронов (е) радиационных поясов Зем-
ли (РПЗ).
В таблицах приводятся данные для материалов следующих элементов конструк-
ции и устройств КА:
• внешней обшивки КА;
• солнечных батарей;
• передающих и принимающих антенн;
• иллюминаторов и оптико-электронного оборудования;
• двигателей;
• теплозащитной изоляции;
• стыковочных узлов;
• электрорадиоизделий;
• внутренней отделки КА;
• космических скафандров.
В качестве примера ниже приведена часть сводной таблицы, характеризующей
воздействие ФКП на материалы внешней обшивки КА (табл. 5.4.2).
ГЛАВА 5.4 РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «КОСМОТЕСТ»...
1123
Таблица 5.4.2
Воздействие ФКП на материалы внешней обшивки КА
Параметры материалов и элементов КА, подвергающиеся воздействию ФКП Наиболее опасные факторы среды Наблюдаемые изменения эксплуатационных характеристик
Характеристики: 1. МЕТАЛЛЫ ПОЛИРО • конденсирующиеся про- ВАННЫЕ • практически любые дозы электронов и
• физико-механические • теплофизические • оптические дукты собственной внеш- ней атмосферы КА • протоны и электроны РПЗ протонов не приводят к изменениям экс- плуатационных характеристик металлов • некоторые изменения теплофизических и
Характеристики: 2. МАТЕРИАЛЫ ТЕКС! • вакуум оптических характеристик металлов воз- можны за счет загрязнения их внешних поверхностей конденсируемыми продук- тами из собственной внешней атмосферы КА и за счет фотополимеризации органи- ческих продуктов газовыделения 'ИЛЬНЫЕ • ухудшение эксплуатационных характери-
• электрофизические • УФ-излучение Солнца стик
• физико-механические • протоны и электроны РПЗ • за счет удаления замасливателей из тка-
• оптические Продукты газовыделения Характеристики: 3. ПОКРЫТИЯ ЛАКОКР> • вакуум ней отмечается появление обломков мо- новолокон материала тканей (ложные за- светки) АСОЧНЫЕ • ухудшение поверхностных электрофизи-
• электрофизические • УФ-излучение Солнца ческих, прочностных, оптико-физических
• физико-механические • протоны и электроны РПЗ и теплофизических характеристик
• оптические • теплофизические Продукты газовыделения Характеристики: 4. ПОКРЫТИЯ ТЕРМОРЕГУ • вакуум ЛИРУЮЩИЕ • ухудшение поверхностных электрофизи-
• электрофизические • УФ-излучение Солнца; ческих характеристик, прочностных ха-
• физико-механические • протоны и электроны РПЗ рактеристик, оптико-физических и теп-
• оптические • теплофизические Продукты газовыделения Характеристики: 5. ДИЭЛЕКТРИКИ НЕОРГ? • вакуум лофизических характеристик ШИЧЕСКИЕ • ухудшение физико-механических
• электрофизические • УФ-излучение Солнца и электрофизических характеристик
• физико-механические • электроны на поверхности КА, на геостационарной орбите, Ее « 20-30 кэВ • электроны искусственных РПЗ, Ее « 1,5 МэВ • электрические пробои на поверхности диэлектриков • радиопомехи в электронных цепях • электрические пробои в объеме диэлект- риков • разрушение элементов • радиопомехи
1124
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
5.4.2. Принципы построения информационно-технологической системы
«КосмоТест»
Эффективность научно-исследовательских и испытательных работ в области ра-
диационного и космического материаловедения в значительной степени определяет-
ся скоростью обмена информацией между исследователями, проводящими испыта-
ния, и потребителями - конструкторами, технологами и др. Создание сети Internet и
бурное развитие информационных технологий (ИТ) вызывают необходимость разра-
ботки новых подходов в области информационно-аналитического обеспечения ра-
диационных испытаний (РИ) и прогнозирования свойств материалов космического
назначения.
Внедрение ИТ позволит существенно изменить методологию РИ [20]. Вместо
традиционного статического режима, когда потребитель получает информацию о
конечных характеристиках материала или изделия, подвергнутого воздействию ФКП,
может быть реализован динамический режим, когда с помощью сети Internet потре-
битель будет иметь возможность отслеживать динамику изменения свойств испы-
туемого материала, а также параметры работы испытательного оборудования (темпе-
ратуру, вакуум, химический состав окружающей среды и др.).
Разрабатываемая в филиале ФГУП НИФХИ им. Л.Я. Карпова информационно-
технологическая система (ИТС) «КосмоТест» основывается на указанных выше но-
вых подходах и нацелена на объединение технологических возможностей действую-
щих в институте уникальных испытательных установок и оборудования для осуще-
ствления РИ с новыми подходами к проведению испытаний, обеспечиваемыми ши-
роким применением ИТ.
Для этого выполняются следующие работы:
• разработка устройств сбора данных (УСД), которые должны формировать мас-
сивы экспериментальных данных в цифровом виде;
• создание программно-математического обеспечения, необходимого для хране-
ния, обработки и математического моделирования массивов эксперименталь-
ных данных, полученных в результате РИ;
• создание страницы на Web-узле института, которая должна обеспечивать воз-
можность ознакомления с ИТС «КосмоТест» и включать в себя интерактивные
каналы для обсуждения результатов в режиме реального времени, а также ка-
налы получения экспериментальной информации и подачи команд для зареги-
стрированных пользователей ИТС;
• дальнейшая разработка БД «РадМат», содержащей информацию о результатах
ранее проведенных радиационных испытаний более чем 5 000 материалов кос-
мического назначения и атомной техники;
• создание и развитие библиографической БД, содержащей данные об открытых
информационных источниках (статьи, монографии, отчеты и др.), в которых
опубликованы результаты исследований в области радиационного и космиче-
ского материаловедения;
• разработка обоснования организации Центра трансферта радиационных техно-
логий (ЦТРТ) для проведения маркетинговых исследований, рекламных акций,
поиска инвесторов и заказчиков.
ГЛАВА 5.4 РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «КОСМОТЕСТ»... 1125
Разработка информационно-аналитического обеспечения РИ проводится по двум
направлениям:
• создание математического обеспечения для планирования и обработки резуль-
татов РИ;
• создание математического обеспечения для контроля за РИ.
Математическое моделирование поведения материалов в процессе РИ вместо экс-
периментов на реальных испытательных установках [13] - один из перспективных
подходов, который позволяет удешевить РИ, сделать обоснованным выбор дозовых
нагрузок и режимов проведения РИ. Более того, методы математического моделиро-
вания позволяют изучать поведение материалов в условиях комплексного воздейст-
вия ФКП, что далеко не всегда возможно реализовать в РИ.
Создаваемая система информационно-аналитического обеспечения (СИАО) РИ
должна с высокой производительностью обеспечивать решение задач, возникающих
в ходе математического эксперимента. Производительность СИАО определяет ско-
рость проведения всего цикла РИ, который включает в себя подготовку и постановку
Рис. 5.4.1. Функциональная схема сервера ЦТРТ
1126
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
задач РИ, расчет режимов эксплуатации материалов и обработку выходных данных.
СИАО должна обладать возможностями расширения, включения дополнительных
функций, изменения методов расчета и обработки данных и перехода в другой класс
задач. Таким образом, СИАО ИТС «КосмоТест» - это комплекс программ и средств,
при помощи которых можно создавать пакеты программ, ориентированные на кон-
кретные классы задач.
Внедрение ИТ в процесс РИ открывает путь для коммерциализации результатов
РИ уже на стадии проведения испытаний, что значительно сокращает срок окупаемо-
сти РИ. В настоящее время создается Web-сервер ЦТРТ, функциональная схема ко-
торого приведена на рис. 5.4.1.
ИТС «КосмоТест» включает в себя систему справочно-информационных БД
(«РадМат», библиографической информации, ЦТРТ), содержащих информацию о
результатах ранее выполненных РИ по отдельным классам материалов космического
назначения или группам свойств, информацию об организациях, проводящих РИ, и о
потенциальных потребителях [25-27]. Подготовлена к установке на Web-узле ЦТРТ
первая версия рубрикатора данных, содержащая результаты РИ для более 1 000 мате-
риалов космической техники. Пример части рубрикатора представлен в табл. 5.4.3.
Дополнительно пользователь может получить информацию об организации (назва-
ние, адрес, контактные телефоны), осуществлявшей соответствующие РИ.
В табл. 5.4.3 использованы следующие обозначения:
• За, 3v - у-облучение на воздухе и в вакууме соответственно;
• 3v (308, 323) - у-облучение в вакууме при температурах 308 и 323 К;
• 6а - реакторное (n-у) облучение на воздухе;
• 8v - ультрафиолетовое облучение в вакууме (ксеноновой лампой, имитация из-
лучения Солнца);
Форма представления данных в рубрикаторе
Таблица 5.4.3
Русское наименование, марка, сорт и т. п. Английское наименование, марка, сорт, и т. п. гост, OCT, ТУ и т. д. Вид воздействия, интенсивность, среда, температура Группы характеристик материалов
1 2 3 4 5
Герметик ВГО-1 (варианты - Материал ВГО-1, Герметик ВГО-1 с подслоем П-11, Склейка герметиком ВГО-1 с подслоем П-11) Hermetic VGO-1 ТУ 39-303-04-04-90, ОСТ 58.03238-81, ОСТ 92-1006-77 За, 3v, 9v 3v 3v (308, 323) ml, m2, m7 el, e2, e3 (1 кГц, 1 МГц), e4 пго
Керамика НИАСИТ Ceramics NIASIT ТУ 1-596-195-84 6a 6a m6 el, е2 (10 ГГц)
Ткань аримидная артикула 56420, техническая, каркасная Arimide fabric article 56420 duck frame technical ТУ 17 РСФСР 62-11366-87 3a 8v m3 оЗ, о8
ГЛАВА 5.4 РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «КОСМОТЕСТ»...
1127
• m - физико-механические характеристики материалов (ml - предел прочности
при растяжении - ав или ар; m2 - относительное удлинение при разрыве - ер
или 8; m3 - прочность при разрыве, кг-с-см"1 - Fp; т6 - предел прочности при
изгибе - ови или аи; т7 - предел прочности при сдвиге - асдв или тсдв);
• е - электрофизические характеристики материалов (е 1 - диэлектрическая прони-
цаемость - г'; е2 - тангенс угла диэлектрических потерь - tg 8; еЗ - электриче-
ская прочность - £пр; е4 - удельное объемное электрическое сопротивление - р^);
для характеристик el, е2, еЗ в скобках указывается - при каких частотах прово-
дились измерения;
• с - физико-химические характеристики материалов (ПГО или cl - количество и
состав продуктов газоотделения, мк-моль-г"1 или %, или % масс., или % мольн.);
• о - оптико-физические характеристики материалов (оЗ - редуцированный или
интегральный коэффициент поглощения солнечной радиации as, 08 - редуци-
рованный или интегральный коэффициент отражения солнечной радиации - R$).
Опыт разработки ИТС «КосмоТест» показывает, что сочетание существующих
подходов к организации и проведению РИ и новейших достижений ИТ позволит
резко удешевить испытания, сократить сроки их проведения и обеспечить опти-
мальный выбор характеристик и режимов эксплуатации материалов космического
назначения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Матвеев В.К., Сурнин В.А. Влияние излучения на диэлектрические свойства полимеров. Обзорная
информация. Сер. Радиационная стойкость органических материалов. М.: НИИТЭХИМ, 1979, 55 с.
2. Искаков Л.И. Радиационное газовыделение полимерных материалов. Обзорная информация. Сер. Ра-
диационная стойкость органических материалов. М.: НИИТЭХИМ, 1979, 45 с.
3. Абызов Н.М., Блинова С.Л., Лосев В.И., Шаварин Ю.Я., Базыкина А.И., Балясова А.В., Щербаков Л.Н.
Химическое строение и радиационная стойкость фторполимеров. В сб.: Радиационная стойкость поли-
мерных и полимерсодержащих материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ, 1979, вып. 5, с. 17-26.
4. Брискман Б.А. Теплофизические свойства облученных полимеров. Обзорная информация. Сер. Радиа-
ционная стойкость органических материалов. М.: НИИТЭХИМ, 1981, 35 с.
5. Абызов Н.М., Блинова С.Л., Лосев В.И., Табалин Е.Н., Балясова А.В. Влияние некоторых факторов на
радиационную стойкость тканепленочных материалов. В сб.: Радиационная стойкость полимерных и
полимерсодержащих материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ, 1982, вып. 6, с. 103-108.
6. Абызов Н.М., Блинова С.Л., Лосев В.И., Шаварин Ю.Я., Балясова А.В. Радиационная стойкость тканей
из химических волокон. В сб.: Радиационная стойкость полимерных и полимерсодержащих материа-
лов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ, 1982, вып. 6, с. 108-119.
7. Панкратова Л.Н., Шаварин Ю.Я. Действие излучений на полимерные материалы со связями Si-O.
Обзор. М.: НИИТЭХИМ, 1985, 39 с.
8. Ларичева В.П., Суминов С.И. Проблемы радиационной защиты полимеров. Обзорная информация.
Сер. Радиационная химия и технология. Радиационная стойкость. М.: НИИТЭХИМ, 1985, 47 с.
9. Милинчук В.К., Тупиков В.И., Брискман Б.А., Клиншпонт Э.Р., Дубровина А.С., Лебедев Д.Д., Кирю-
хин В.П., Искаков Л.И., Подсобляев А.П., Степанов В.Ф., Табалин Е.Н., Матвеев В.К., Сичкарь В.П.,
Жданов Г.С., Шаварин Ю.Я., Суминов С.И., Боровков В.В. Радиационная стойкость органических ма-
териалов. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1986, 272 с.
10. Шаварин Ю.Я., Абызов Н.М., Блинова С.Л., Горшкова С.С., Табалин Е.Н., Ларионов В.С. Исследова-
ние стойкости тканепленочных материалов к длительному воздействию излучений. В сб.: Радиацион-
ная стойкость полимерных и полимерсодержащих материалов в условиях космоса. М.: НИИТЭХИМ,
1988, вып. 9, с. 91-109.
1128
СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РАЗДЕЛ 5
11. Organic Radiation Chemistry. Handbook. Ellis Horwood Series in Physical Chemistry. Eds. Milinchuk V.K.,
Tupikov V.I. Ellis Horwood Ltd., Chichester, England, 1989, 385 p.
12. Шаварин Ю.Я., Блинова С.Л., Абызов H.M., Алексеев С.В., Шульга А.И. Результаты имитационных
испытаний полимерных материалов, предназначенных для длительного использования в радиацион-
ных полях в условиях космоса. В трудах 6-го Междунар. симпозиума «Материалы в условиях косми-
ческого пространства». ЕСТЕК, Нордвайк, Нидерланды, 19-23 сент. 1994 г., с. 401-410.
13. Милинчук В.К., Клиншпонт Э.Р., Тупиков В.И. Основы радиационной стойкости органических мате-
риалов. М.: Атомэнергоиздат, 1994, 252 с.
14. McCall S.H.C.P., Clark А.А., Clark A.J., Kleiman J.L, Iskanderova Z., Briskman B., Klinshpont E., Sha-
varin Y. A unified space environment effects database for Russian and North American organic and inorganic
materials. In: Protection of materials and structures from space environment. ICPMSE-6. Kluwer Academic
Pub., 2003, pp. 139-154.
15. Шаварин Ю.Я., Клиншпонт Э.Р., Суминов С.И., Степанов В.Ф., Сичкарь В.П., Смирнова Н.А., Бриск-
ман Б.А., Подсобляев А.П. Свидетельство № 2001620008 от 05.02.2001 г. об официальной регистрации
Базы данных «РадМат» по радиационному и космическому материаловедению неметаллических мате-
риалов.
16. Громов Г.Р. Очерки информационной технологии. М.: ИнфоАрт, 1992, 336 с.
17. Громов Г.Р. От гиперкниги к гипермозгу: Информационные технологии эпохи Интернета. Эссе, диа-
логи, очерки. М.: Радио и связь, 2004, 208 с.
18. Смолянский А.С., Шаварин Ю.Я., Проскуряков О.Ю., Лунин А.В., Никитин Д.В. Информационная
система «КосмоТест» в радиационных испытаниях материалов космического назначения и атомной
техники. В кн.: Прикладные аспекты химии высоких энергий. Тезисы докладов II Всероссийской кон-
ференции (с приглашением специалистов стран СНГ). РХТУ им. Д.И. Менделеева. Москва, 26-28 ок-
тября 2004 г. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004, с. 105-106.
19. Сулаберидзе В.Ш. Средства контроля условий испытаний материалов в экспериментах на исследова-
тельских реакторах и в защитных камерах. Димитровград: ГНЦ РФ НИИАР, 1997, с. 98-103.
20. Билинский И.Я., Микелсон А.К. Стохастическая цифровая обработка непрерывных сигналов. Рига: Зи-
натне, 1983, с. 213.
21. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. М.: Радио и связь, 1984, с. 119.
22. Кравчук А.С., Майборода В.П., Уржумцев Ю.С. Механика полимерных и композиционных материа-
лов. Экспериментальные и численные методы. М.: Наука, 1985, 304 с.
23. Ольхович Т.А., Секерин В.Д. Маркетинг в научно-исследовательском институте. Материалы семина-
ра. Выбор материалов для изделий с заданными свойствами. М.: Знание, 1990, 99 с.
24. Зарецкая Е.М. Обеспечение патентной чистоты технических решений в области переработки полиме-
ров. Труды Моск. хим.-техн, ин-та им. Д.И. Менделеева, 1978, № 102, с. 122-131.
25. Заворохина Н.А., Босякова Е.Н., Цай Э.М. Аналитические обзоры как одна из форм информационного
обслуживания в Институте органического катализа и электрохимии Академии Наук КазССР. Депони-
ровано в ВИНИТИ № 2431-84. Алма-Ата: АН КазССР, 1984, 15 с.
26. Хвостов Н.Н. О некоторых вопросах аналитико-синтетической переработки информационных источ-
ников. В кн.: Проблемы развития единой системы научно-технической информации в стране. Труды
IV Всесоюзной конференции. Москва, 24-27 сентября 1974 г. Депонировано в ВИНИТИ № 1994-76.
М.: ВИНИТИ, 1974,9 с.
27. Бугреева Л.И., Школьник А.И., Захарова Л.Ф., Лапицкая Г.М., Ковтун Л.А. Принципы классификации
и кодирования технико-экономической информации в автоматизированной информационно-
поисковой системе АИПС «Технология». В кн.: Технология производства изделий из полимерных ма-
териалов. М., 1979, с. 119-130.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ТОМ II. ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ НА МАТЕРИАЛЫ
И ОБОРУДОВАНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Предисловие ко второму тому восьмого издания «Модели космоса».........................8
Введение. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ..........................10
Новиков Л.С.
1. Общая характеристика проблемы 11
2. Условия функционирования космических аппаратов в околоземном пространстве 14
3. Воздействие факторов космического пространства на КА 22
4. Воздействие ракетно-космической техники на космическую среду 27
5. Используемые методы исследований 31
6. Наиболее важные задачи современных и перспективных исследований 34
Литература 37
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ...................................................................39
Глава 1.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СОБСТВЕННОЙ ВНЕШНЕЙ
АТМОСФЕРЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.........................39
Надирадзе А.Б., Шапошников В.В., Хартов В.В., Максимов И.А., Иванов В.В., Смирнов В.А.
Введен ие 39
1.1.1. Физические процессы формирования собственной внешней атмосферы и образования
пленок загрязнения на поверхности КА 42
1.1.1.1. Процессы массовыделения 42
1.1.1.2. Процессы массопереноса 43
1.1.1.3. Процессы осаждения частиц на поверхность 44
1.1.2. Моделирование процессов загрязнения поверхности КА 45
1.1.2.1. Источники массы 46
1.1.2.2. Прямые потоки массы 47
1.1.2.3. Отраженные потоки 48
1.1.2.4. Возвратные потоки массы 49
1.1.2.5. Концентрация частиц СВА 52
1.1.2.6. Плотность молекулярного столба 52
1.1.3. Комбинированная методика оценки уровня загрязнения внешних поверхностей КА 53
1.1.4. Пакет программ для расчета уровней загрязнения поверхностей КА 56
Литература 58
Глава 1.2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
В ОКРЕСТНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ................................................60
Абрамовская М.Г., Басс В.П., Петрушенко Н.В., Печерица Л.Л., Смелая Т.Г.
Введение 60
1.2.1. Методы и алгоритмы расчета свободномолекулярных полей течений в окрестности КА
простой формы (выпуклые тела) 63
1.2.1.1. Метод численного интегрирования 63
1.2.1.2. Приближенные алгоритмы для определения ГПД вблизи выпуклых тел 65
1.2.2. Расчет газодинамических параметров в окрестности КА сложной формы 68
1.2.2.1. Регулярные методы решения 68
1.2.2.2. Комбинированный метод расчета 69
1.2.3. Расчет газодинамических параметров в поле струй двигательных установок 71
1.2.4. Математическая модель для расчета возвратных потоков к контролируемым
поверхностям 73
1.2.5. Исследование процессов массопереноса на этапе проектирования КА 76
1.2.5.1. Расчет потоков частиц на входную апертуру телескопа 76
1.2.5.2. Влияние струй ДУ 78
изо
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.2.6. Применение методов молекулярной газовой динамики для решения задач спутниковой
фотометрии 80
1.2.6.1. Индикатрисы излучения для КА простой геометрической формы 80
1.2.6.2. Индикатрисы излучения КА сложной формы 82
1.2.6.3. Математическая модель свечения при взаимодействии набегающего потока частиц
с поверхностью КА 83
1.2.6.4. Инженерная модель расчета параметров свечения КА 84
Выводы и рекомендации 86
Литература 88
Глава 1.3. ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ
ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОКРЕСТНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
И НА ИХ ПОВЕРХНОСТИ...............................................................91
Абрамовская М.Г., Аксютенко А.Н., Басс В.П., Ефимов Ю.П.
Введение 91
1.3.1. Лабораторные методы и средства моделирования условий полета КА в верхних слоях
атмосферы Земли 92
1.3.2. Экспериментальные исследования на вакуумной аэродинамической установке ВАУ-2М 94
1.3.2.1. Схема и основные технические характеристики установки 94
1.3.2.2. Измерение коэффициентов обмена импульсом 97
1.3.2.3. Измерение индикатрис потоков массы 101
1.3.2.4. Определение эффективных сечений рассеяния атомов и молекул 101
1.3.2.5. Динамические испытания и калибровка бортовых измерительных систем и приборов 103
1.3.3. Исследования газодинамических параметров внутри моделей негерметичных контейнеров КА 104
1.3.3.1. Натурные эксперименты по исследованию газодинамической обстановки
в окрестности КА и изменения давления внутри негерметичных отсеков 104
1.3.3.2. Лабораторное моделирование 106
1.3.3.3. Исследования установившегося давления продуктов газовыделения в негерметичных
отсеках КА МС-1-ТК НО
Выводы 112
Литература 113
Глава 1.4. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ КАНАЛОВ
В СВОБОДНОМОЛЕКУЛЯРНОМ ПОТОКЕ .................................................. 117
Новиков Л.С., Завилопуло А.Н., Тулинов Г.Ф., \ Романовский Ю.А. |
Введение 117
1.4.1. Аналитический расчет проводимости каналов 118
1.4.1.1. Постановка задачи 118
1.4.1.2. Расчет коэффициентов проводимости цилиндрических трубок при произвольных
углах атаки 120
1.4.1.3. Эффект газодинамической инерционности 121
1.4.2. Численное моделирование движения частиц в каналах 123
1.4.3. Лабораторные исследования газодинамических характеристик зондов давления 128
1.4.3.1. Методика измерений 128
1.4.3.2. Результаты и обсуждение 129
1.4.4. Данные ракетных экспериментов 135
Литература 138
Глава 1.5. ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ...........................139
Хасаншин РХ., Шуйский М.Б., Ходненко В.П.
Введение 139
1.5.1. Математическое моделирование газовыделения полимерных композиционных материалов 140
1.5.1.1. Постановка задачи 140
1.5.1.2. Математическая модель газовыделения 141
1.5.1.3. Модель конденсации продуктов газовыделения 147
1.5.1.4. Некоторые результаты экспериментальных исследований 152
1.5.1.5. Расчетная оценка потери массы материала ЭКОМ-1 156
1.5.2. Стандартизованные методы испытаний неметаллических материалов КА на потерю массы 157
1.5.2.1. Основные положения стандартов 157
1.5.2.2. Сравнительное описание стандартов 159
ОГЛАВЛЕНИЕ
1131
1.5.2.3. Понятие эквивалентной энергии процесса выделение-осаждение ЛП
из полимерных материалов 162
1.5.2.4. Применение эквивалентной энергии для объяснения результатов испытаний
по ASTM Е 595 165
1.5.2.5. Оценка ожидаемых отличий результатов испытаний неметаллических материалов
по ГОСТ Р 50109 и ASTM Е 595 (ESA PSS-01 -702) 166
1.5.3. Результаты испытаний типовых материалов КА 167
Литература 169
Глава 1.6. ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
КОНСТРУКЦИИ НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.................................171
Гужова С.К., Новиков Л.С., Черник В.Н., Скурат В.Е.
Введение 171
1.6.1. Унос массы материалов под действием потока атомарного кислорода 173
1.6.1.1. Изменения потока АК в области низких околоземных орбит 173
1.6.1.2. Данные натурных и лабораторных исследований уноса массы материалов 173
1.6.2. Изменение свойств материалов при воздействии атомарного кислорода 178
1.6.3. Прогнозирование стойкости полимерных материалов к воздействию атомарного
кислорода 182
1.6.3.1. Изучение механизмов взаимодействия быстрого АК с полимерами 182
1.6.3.2. Феноменологические оценки коэффициентов эрозии полимеров 184
1.6.3.3. Расчетные оценки вероятностей химических реакций с образованием летучих
продуктов 185
1.6.4. Методы защиты материалов от воздействия атомарного кислорода 190
1.6.5. Лабораторные методы исследования распыления материалов потоком атомарного кислорода 193
1.6.5.1. Требования к условиям лабораторных испытаний и основные типы источников АК 193
1.6.5.2. Некоторые современные имитационные стенды 195
1.6.5.3. Проблема адекватности имитационных условий натурным 200
Заключение 202
Литература 202
Глава 1.7. ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
НА ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ............................................................207
Милинчук В.К., Клиншпонт Э.Р.
Введение 207
1.7.1. Дозовые нагрузки в космическом пространстве 209
1.7.2. Зависимость свойств полимерных материалов от величины поглощенной дозы 210
1.7.2.1. Основные характеристики радиационных эффектов 210
1.7.2.2. Дозовые зависимости свойств полимерных материалов 213
1.7.3. Влияние мощности поглощенной дозы 217
1.7.3.1. Обратимые и необратимые изменения свойств материалов 217
1.7.3.2. Специфика влияния мощности поглощенной дозы при облучении полимеров в вакууме 218
1.7.3.3. Модели влияния мощности дозы на радиационные эффекты 219
1.7.4. Температурная зависимость радиационной стойкости 223
1.7.5. Оптические свойства полимерных материалов, облученных ионизирующими излучениями 224
1.7.6. Фотохимические реакции промежуточных активных частиц 226
1.7.7. Образование свободных радикалов и фоторадикальные цепные реакции 228
1.7.8. Фоторадиационные превращения полимерных материалов 231
Заключение 234
Литература 234
Глава 1.8. ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ...................236
Новиков Л.С., Милеев В.Н., Крупников К.К., Маклецов А.А.
Введение 236
1.8.1. Физические явления на поверхности КА при электризации 238
1.8.1.1. Уравнение баланса токов на поверхности 238
1.8.1.2. Особенности электризации КА в разных областях космического пространства 239
1.8.1.3. Вторично-эмиссионные процессы на поверхности КА 242
1.8.1.4. Влияние токов проводимости на процесс электризации 244
1132
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.8.2. Характеристики горячей магнитосферной плазмы 246
1.8.2.1. Аналитическая аппроксимация энергетических спектров частиц горячей плазмы 246
1.8.2.2. Закономерности изменений параметров горячей плазмы 248
1.8.3. Вольт-амперные характеристики проводящего тела в космической плазме 251
1.8.3.1. Расчет первичных плазменных токов 252
1.8.3.2. Пороговый эффект и явление неоднозначности равновесного потенциала
при заряжении КА на ГСО 254
1.8.3.3. Специфика заряжения КА на низких полярных орбитах 257
1.8.3.4. Критерии заряжаемости материалов в космической плазме 259
1.8.4. Влияние собственной внешней атмосферы и бортового оборудования КА на процесс
электризации 261
1.8.5. Исследования электризации космических аппаратов в натурных условиях 265
1.8.5.1. Ранние исследования процессов электризации 265
1.8.5.2. Исследования параметров электризации геостационарных КА «Горизонт»
и «Электро» с помощью бортовых спектрометров электронов и ионов 266
1.8.5.3. Особенности электризации пизкоорбитальных КА в полярных областях 271
1.8.5.4. Исследование электризации КА с помощью вибрационных датчиков 272
Литература 273
Глава 1.9. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ ...........................................................................276
Новиков Л.С., Милеев В.Н., Маклеров А.А., Крупников К.К., Синолиц В.В., Малько В.Г.,
Плохих А.П., Саенко В.С., Тютнев А.П.
Введение 276
1.9.1. Основные расчетные соотношения 278
1.9.1.1. Система уравнений электризации 278
1.9.1.2. Граничные условия для разных типов элементов поверхности КА 279
1.9.1.3. Методы решения электростатической задачи 280
1.9.1.4. Динамические уравнения заряжения КА 283
1.9.1.5. Методика расчета первичных и вторичных токов для сложного тела 284
1.9.2. Алгоритмы и программные средства для моделирования электризации реальных КА 288
1.9.2.1. Структура и блок-схема вычислительного комплекса 288
1.9.2.2. Геометрическая модель КА 290
1.9.2.3. Графический интерфейс 291
1.9.3. Примеры моделирования электризации КА 294
1.9.3.1. Распределения потенциала на поверхности и в окрестности КА 294
1.9.3.2. Динамика заряжения КА 295
1.9.3.3. Особенности электризации КА при функционировании ЭРД 297
1.9.4. Особенности различных моделей поверхностной электризации КА 301
1.9.4.1. Модель «ЭКО-М» 301
1.9.4.2. Модели семейства NASCAP 302
1.9.4.3. Проект «Space Plasma Interaction System» 305
1.9.4.4. Модель НИИПМЭ МАИ 307
1.9.4.5. Структурная электрофизическая модель электризации КА 309
Литература 312
Глава 1.10. ОБЪЕМНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ................................................................315
Акишин А.И., Новиков Л.С., Маклеров А.А., Милеев В.Н.
Введение 315
1.10.1. Процессы формирования объемного заряда в облучаемых диэлектриках 316
1.10.1.1. Торможение электронов и радиационная проводимость 316
1.10.1.2. Кинетика накопления объемного заряда и равновесное состояние 318
1.10.1.3. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных 319
1.10.2. Исследование объемной электризации диэлектрических материалов
на спутнике CRRES 321
1.10.3. Лабораторные исследования электроразрядных явлений при объемном заряжении
диэлектриков 322
1.10.3.1. Формирование разрядных каналов 323
ОГЛАВЛЕНИЕ
1133
1.10.3.2. Инициирование электрического пробоя в радиационно-заряженных
диэлектриках импульсным лазерным излучением 327
1.10.3.3. Объемный электрический пробой в стеклах при облучении протонами 329
1.10.3.4. Эмиссионные явления при пробое радиационно-заряженных диэлектриков 334
1.10.4. Численное моделирование процессов объемной электризации диэлектриков
при облучении электронами 336
1.10.4.1. Методика моделирования динамики объемной электризации диэлектриков
методом Монте-Карло 336
1.10.4.2. Результаты расчетов 337
Литература 340
Глава 1.11. ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В ДИЭЛЕКТРИКАХ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОНАМИ С ЭНЕРГИЯМИ ДО 100 кэВ.....................343
Ягушкин Н.И., Сергеев А.И., Гостищев Э.А.
Введение 343
1.11.1. Модельное описание процессов радиационной электризации и электрических пробоев
в диэлектриках 344
1.11.1.1. Процессы инжекции и генерации свободных носителей 344
1.11.1.2. Система уравнений 345
1.11.1.3. Расчет характеристик электризации образцов диэлектрических материалов 347
1.11.1.4. Радиационно-электрический пробой диэлектриков 350
1.11.2. Экспериментальный стенд и методы измерений 352
1.11.3. Результаты экспериментов 354
1.11.3.1. Измерение потенциала поверхности 354
1.11.3.2. Исследования электрических пробоев 356
Литература 359
Глава 1.12. РАДИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИМЕРОВ..................................361
Хатипов С.А.
Введение 361
1.12.1. Общие представления о радиационной электропроводности полимеров 362
1.12.2. Основные закономерности радиационной электропроводности полимеров 365
1.12.2.1. Зависимость от времени облучения и температуры 365
1.12.2.2. Влияние поглощенной дозы и физической структуры 368
1.12.2.3. Влияние высоких давлений 370
1.12.2.4. Основные результаты и их значение для прогнозирования РЭ 371
1.12.3. Радиационная электропроводность и электризация полимеров 372
Литература 375
Глава 1.13. ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ........................377
Тютнев А.П., Саенко В.С.
Введение 377
1.13.1. Математическое описание процессов объемной электризации диэлектриков 378
1.13.1.1. Модель Роуза-Фаулера-Вайсберга 378
1.13.1.2. Моделирование процессов заряжения полимерных пленок 381
1.13.2. Экспериментальные исследования радиационной электропроводности 384
1.13.2.1. Лабораторная установка 384
1.13.2.2. Экспериментальные результаты и их анализ 385
1.13.3. О природе электростатических разрядов в диэлектриках 388
Литература 393
Глава 1.14. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОЛНЕЧНОГО
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.........................................................395
Шаварин Ю.Я.
Введение 395
1.14.1. Исследование стойкости текстильных материалов 396
1.14.1.1. Методика испытаний 396
1.14.1.2. Результаты испытаний 397
1.14.2. Воздействие ультрафиолетового излучения на неорганические материалы 399
1134
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.14.3. Изменение свойств полимерных материалов под действием электромагнитных излучений 400
1.14.3.1. Полиолефины 400
1.14.3.2. Кислородсодержащие пластики 401
1.14.3.3. Галоидсодержащие пластики 405
1.14.3.4. Азотсодержащие пластики 406
1.14.4. Воздействие электромагнитных излучений на полимерсодержащие материалы 407
1.14.4.1. Воздействие на стеклопластики 407
1.14.4.2. Воздействие на терморегулирующие и лакокрасочные покрытия 408
Заключение 412
Литература 412
Глава 1.15. РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО
ПРОСТРАНСТВА......................................................................414
Хатипов С.А., Цвелев В.М., Алексеев С.В.
Введение 414
1.15.1. Особенности условий эксплуатации полимерных материалов в космическом пространстве 415
1.15.2. Макроскопические свойства полимеров при однородном облучении 417
1.15.2.1. Изменение физико-механических характеристик 417
1.15.2.2. Радиационные эффекты, связанные с изменением электрофизических
характеристик ПМ 421
1.15.3. Макроскопические свойства полимеров при неоднородном облучении 425
1.15.4. Материалы нового поколения на основе радиационно-модифицированного
политетрафторэтилена 429
1.15.4.1. Получение радиационно-стойкого ПТФЭ путем радиационно-химического
модифицирования 430
1.15.4.2. Свойства радиационно-модифицированного ПТФЭ 431
Литература 435
Глава 1.16. ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.................437
Акишин А.И., | Цепляев Л.И. |
Введение 437
1.16.1. Источники излучений и методика испытаний 438
1.16.2. Исследование радиационного окрашивания оптических стекол 439
1.16.3. Оптическое обесцвечивание облученных стекол 443
1.16.4. Свечение стекол под действием ионизирующего излучения 444
1.16.5. Радиационное окрашивание и люминесценция волоконных световодов 446
Литература 448
Глава 1.17. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ
И ВНЕДРЕННОГО ЗАРЯДА В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ .. 450
Новиков Л.С., Милеев В.Н.. Маклецов А.А., Синолиц В.В., Дмитренко В.Я..Доценко О.В.,
Драновский В.И.. Тарасов В.Б.
Введение 450
1.17.1. Общая формулировка задачи моделирования распределения поглощенной дозы 452
1.17.2. Существующие методы решения задачи 453
1.17.3. Методика расчета накопления поглощенной дозы в элементах конструкции КА 454
1.17.4. Модель RDOSE 456
1.17.5. Применение программы GEANT для расчета распределения поглощенной дозы 459
1.17.6. Программа расчета локальных доз LOCAL 460
1.17.7. Внутренний заряд при переходе КА с низкой орбиты на геостационарную
с использованием двигателей малой тяги 463
Литература 465
Глава 1.18. ПОВЕРХНОСТНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ..................466
Согоян А.В.. Зебрев Г.И.. Никифоров А.Ю., Першенков В.С.. Чумаков А.И.
Введение 466
1.18.1. Основные физические процессы деградации в отдельных структурах интегральных схем 469
1.18.1.1. Процессы накопления радиационно-индуцированного заряда в диэлектриках ИС 469
1.18.1.2. Деградация параметров МОПТ 474
ОГЛАВЛЕНИЕ
1135
1.18.2. Радиационные эффекты в интегральных структурах 479
1.18.2.1. Типы отказов ИС и их связь с деградацией электрических характеристик 479
1.18.2.2. Особенности процессов деградации толстых изолирующих окислов 480
1.18.3. Радиационные эффекты в биполярных интегральных схемах 482
1.18.3.1. Деградация элементов биполярных структур 482
1.18.3.2. Эффект низкой интенсивности и его моделирование 485
1.18.4. Особенности радиационных отказов больших интегральных схем 486
1.18.5. Расчетно-экспериментальное моделирование деградации характеристик
интегральных схем 489
Литература 491
Глава 1.19. РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ ОТ ОТДЕЛЬНЫХ
ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ........................................................................494
Чумаков А .И.
Введение 494
1.19.1. Основные физические механизмы образования локальных радиационных эффектов 495
1.19.1.1. Классификация локальных радиационных эффектов 495
1.19.1.2. Механизмы возникновения локальных радиационных эффектов 499
1.19.1.3. Ионизационная реакция от ОЯЧ 501
1.19.2. Оценка показателей стойкости интегральных схем при возникновении локальных
радиационных эффектов 502
1.19.2.1. Параметры чувствительности и показатели стойкости СБИС 502
1.19.2.2. Вероятность возникновения локальных радиационных эффектов 504
1.19.3. Моделирование локальных радиационных эффектов 507
1.19.3.1. Одиночные сбои 507
1.19.3.2. «Иголки» 510
1.19.3.3. Тиристорный эффект 512
1.19.3.4. Эффект вторичного пробоя 514
1.19.3.5. Эффект «прокола» подзатворного окисла 515
1.19.3.6. Катастрофические отказы 517
Литература 517
Глава 1.20. ПОВРЕЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ УДАРАМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ
ЕСТЕСТВЕННОГО И ИСКУССТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ..........................................519
Новиков Л.С., Семкин Н.Д., Ермолаев И.К., Пилюгин Н.Н., Иванов Л.И., Никитушкина О.Н.,
Янушкевич В.А.
Введение 519
1.20.1. Метеорная материя и объекты искусственного происхождения в космическом пространстве 521
1.20.1.1. Общие сведения о метеорных и техногенных телах 521
1.20.1.2. Модели и стандарты потоков твердых частиц в космическом пространстве 524
1.20.2. Методы исследования метеорной материи и космического мусора 525
1.20.3. Методы ускорения твердых частиц 527
1.20.3.1. Основные типы ускорителей твердых частиц 527
1.20.3.2. Электростатический метод ускорения твердых частиц 529
1.20.3.3. Испытательные стенды на базе баллистических газовых установок 533
1.20.3.4. Ускорение металлических частиц лазерным излучением 534
1.20.4. Физические явления при высокоскоростном ударе 536
1.20.4.1. Преобразование энергии и состояние вещества в области соударения твердых тел 536
1.20.4.2. Образование кратеров в мишени 539
1.20.4.3. Ударные воздействия на тонкие пленки и конденсаторные датчики 544
1.20.4.4. Исследование воздействия ударов микрочастиц на солнечные батареи КА 545
1.20.4.5. Эмиссия заряженных частиц и электромагнитное излучение из области
высокоскоростного удара 548
1.20.4.6. Инициирование ударами твердых микрочастиц электрических разрядов
в вакууме и в диэлектриках 550
1.20.5. Приборы для регистрации и измерения параметров быстрых микрочастиц 553
1.20.6. Принципы защиты космических аппаратов от воздействия метеорных тел
и космического мусора 555
Литература 557
1136
ОГЛАВЛЕНИЕ
2. ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ............................561
Глава 2.1. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЕ....................561
Летин В.А.
Введение 561
2.1.1. Состояние и перспективы развития элементной базы солнечных батарей 563
2.1.1.1. Кремниевые монокристаллические ФП 563
2.1.1.2. Применение аморфного кремния 565
2.1.2. Конструкция солнечных батарей 566
2.1.3. Деградация солнечных батарей в космической среде 568
2.1.3.1. Радиационная деградация СБ 568
2.1.3.2. Деградация СБ за счет электризации 573
2.1.3.3. Деградация СБ при воздействии собственной внешней атмосферы 576
2.1.3.4. Деградация от частиц метеорной материи и космического мусора 579
2.1.3.5. Деградация СБ под действием атомарного кислорода 584
2.1.4. Термоциклическая деградация 585
2.1.5. Температурная деградация (тепловое старение) 586
2.1.6. Оптическая деградация фрагментов СБ, возвращенных с ОКС «Мир» 587
Литература 591
Глава 2.2. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА.................................................595
Соловьев Г.Г., Новиков Л.С.
Введение 595
2.2.1. Результаты натурных испытаний покрытий 597
2.2.2. Методы лабораторных испытаний покрытий 598
2.2.2.1. Основные принципы испытаний 598
2.2.2.2. Лабораторные испытательные установки 601
2.2.3. Результаты лабораторных испытаний терморегулирующих покрытий 604
2.2.4. Специфика комплексного воздействия излучений 606
2.2.5. Процессы оптической деградации покрытий 607
2.2.6. Физико-математические модели оптической деградации покрытий 609
2.2.7. Методы прогнозирования изменения свойств покрытий 611
Литература 612
Глава 2.3. ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ...........................................................615
Ким В.П., Надирадзе А.Б., Попов Г.А., Ходненко В.П., Шишкин Г.Г.
Введение 615
2.3.1. Общая характеристика электроракетных двигателей 618
2.3.1.1. Электротермические двигатели 619
2.3.1.2. Электростатические двигатели 620
2.3.1.3. Плазменные электромагнитные двигатели 621
2.3.2. Основные характеристики струй электроракетных двигателей 623
2.3.2.1. Общие сведения 623
2.3.2.2. Первичные частицы в струях ЭРД 624
2.3.2.3. Вторичные частицы в струях ЭРД 626
2.3.2.4. Светимость струй ЭРД 627
2.3.3. Воздействие струй электроракетных двигателей на космические аппараты 628
2.3.3.1. Эрозионное воздействие струй ЭРД на материалы КА 628
2.3.3.2. Загрязняющее воздействие струй ЭРД на КА 632
2.3.3.3. Силовое и тепловое воздействие струй ЭРД на КА 634
2.3.3.4. Влияние струй ЭРД на солнечные батареи КА 636
2.3.4. Влияние плазменных образований на работу бортовой аппаратуры 643
2.3.4.1. Механизмы влияния 643
2.3.4.2. Модель проникновения плазмы в негерметичный отсек 644
2.3.5. Влияние струй электроракетных двигателей на процессы формирования
собственной внешней атмосферы 647
ОГЛАВЛЕНИЕ
1137
2.3.6. Электромагнитное воздействие электроракетных двигателей на системы космических
аппаратов и окружающую среду 648
2.3.6.1. Электромагнитное излучение плазменных струй 649
2.3.6.2. Изменение условий прохождения электромагнитных волн и диаграмм
направленности бортовых антенн 653
2.3.6.3. Эффекты взаимодействия струй ЭРД с окружающей плазмой 655
2.3.6.4. Помехи по цепям питания 656
Литература 657
Глава 2.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В КОСМИЧЕСКОЙ
ТЕХНИКЕ ...........................................................................660
Зродников А.В., Забудько А.Н., Нонкин В.И., Овчаренко М.К., Пышко А.П., Ярыгин В.И.,
Пустовалов А А.
Введение 660
2.4.1. Опыт создания и достижения в области космических ЯЭУ с прямым преобразованием энергии 662
2.4.2. Ядерные ракетные двигатели 667
2.4.3. Состояние и перспективы использования РИТЭГ в космических исследованиях 671
2.4.3.1. Состояние и области применения 672
2.4.3.2. Перспективы использования РИТЭГ в космосе 676
Литература 680
Глава 2.5. РАЗРУШЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В СТОЛКНОВЕНИЯХ
С КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ...........................................................682
Смирнов Н.Н., Киселев А.Б., Никитин В.Ф.
Введение 682
2.5.1. Образование космического мусора при различных типах разрушений спутников 682
2.5.1.1. Разрушения КА на орбите 683
2.5.1.2. Физическая модель процессов разрушения 684
2.5.1.3. Фрагментация оболочек при равномерном нагружении 687
2.5.1.4. Разрушения, вызванные неравномерным нагружением 688
2.5.2. Высокоскоростное взаимодействие частиц космического мусора с газонаполненными
оболочками 691
2.5.2.1. Модели разрушения при высокоскоростном соударении 691
2.5.2.2. Результаты численного моделирования движения облака частиц в газонаполненной
оболочке 694
2.5.2.3. Моделирование нагружения поверхности газонаполненной оболочки 697
Литература 699
Глава 2.6. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
И ЭФФЕКТОВ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.........................................................701
Плохих А .П.
Введение 701
2.6.1. Моделирующие стенды для исследования радиофизических характеристик электроракетных
двигателей в наземных условиях 702
2.6.1.1. Экспериментальная база 702
2.6.1.2. Классификация измерений в БЭВК 704
2.6.1.3. Радиопоглощающие материалы 705
2.6.1.4. Характеристики и примеры технической реализации БЭВК 706
2.6.1.5. Определение безэховости БЭВК 707
2.6.2. Экспериментальное исследование характеристик апертурных отражателей при наличии
плазменных образований 708
2.6.2.1. Методика измерений 708
2.6.2.2. Зондовые измерения концентрации электронов в апертуре УО 711
2.6.2.3. Радиофизические измерения 712
2.6.3. Эффективная поверхность рассеяния плазменной струи ЭРД 715
2.6.3.1. Методика измерений 715
2.6.3.2. Экспериментальное измерение ЭПР и моностатической ДОР плазменной струи
модели ЭРД 716
2.6.4. Методы исследования собственного излучения ЭРД 719
2.6.4.1. Аппаратурный комплекс для исследования собственного излучения ЭРД 720
2.6.4.2. Результаты экспериментов 721
1138
ОГЛАВЛЕНИЕ
2.6.5. Оценка возможностей определения направленных свойств собственного излучения ЭРД
в металлических вакуумных камерах 723
2.6.5.1. Оборудование измерительного комплекса 724
2.6.5.2. Результаты оценок направленных свойств излучения ЭРД 725
2.6.6. Практическое применение результатов 726
2.6.6.1. Основные положения и определения 727
2.6.6.2. Иерархия РЭС и принципы анализа их ЭМС 728
2.6.6.3. Критерии ЭМС 729
2.6.6.4. Процедура расчета ЭМС 730
2.6.6.5. Стандарты ЭМС 732
Заключение 733
Литература 734
Глава 2.7. ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АНТИСТАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ ..........................................................................736
Морозов Е.П., Лукьященко В.И., Бабкин Г.В., Иванов В.А.
Введение 736
2.7.1. Электростатическая обстановка на КА 738
2.7.2. Основные особенности электростатических разрядов 741
2.7.3. Основные направления совершенствования антистатической защиты КА 744
2.7.3.1. Принципы создания антистатической защиты 744
2.7.3.2. Экспериментальные исследования 745
2.7.4. Перспективы совершенствования антистатической защиты 748
Литература 752
Глава 2.8. МЕТОДОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
К ВОЗДЕЙСТВИЮ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ................................................753
Верхотуров В.И., Графодатский О.С.
Введение 753
2.8.1. Специфика обеспечения надежности аппаратуры КА с длительными сроками активного
существования 754
2.8.1.1. Новые подходы к конструированию КА 754
2.8.1.2. Принципы обеспечения радиационной стойкости и надежности систем КА 755
2.8.1.3. Оценка надежности аппаратуры КА с учетом радиационных факторов 756
2.8.2. Квалификация аппаратуры КА по критериям радиационной стойкости 758
2.8.3. Комплекс мероприятий по обеспечению радиационной стойкости систем КА 759
2.8.4. Отработка систем КА на устойчивость к воздействию электростатических разрядов 762
Литература 766
Глава 2.9. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ.............................................................767
Антонов В.М.
Введение 767
2.9.1. Экспериментальное и диагностическое оборудование 768
2.9.2. Схемы опытов с макетами КА 769
2.9.3. Исследование электризации образцов материалов 771
2.9.4. Динамика электризации моделей КА и характеристики электрических разрядов 773
2.9.5. Моделирование воздействия струй электрореактивных и газовых двигательных установок 778
2.9.6. Калибровка аппаратуры для измерения параметров электризации КА 779
Литература 780
Гпава 2.10. ПОВЫШЕНИЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕКЛЯННЫХ
ПОКРЫТИЙ ЗА СЧЕТ ВНЕДРЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА..................................781
Цетлин В.В., Павлушкина Т.К., Махотин Д.Ю.
Введение 781
2.10.1. Расчет параметров прохождения электронного излучения через заряженные
диэлектрические слои 782
2.10.1.1. Методика расчета 782
2.10.1.2. Результаты расчетов и обсуждение 785
2.10.2. Разработка стекол для использования в системе радиационной защиты 787
2.10.2.1. Требования к стеклам и методика эксперимента 787
2.10.2.2. Результаты исследования спектров ЭПР 789
ОГЛАВЛЕНИЕ
1139
2.10.3. О механизме накопления электрического заряда в фосфатных стеклах 792
2.10.4. Лабораторные исследования радиационно-защитных свойств заряженных стекол 794
2.10.5. Эксперименты на искусственных спутниках Земли 795
Литература 798
Глава 2.11. МОДЕЛИРОВАНИЕ НА УСКОРИТЕЛЯХ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ
РАДИАЦИОННЫХ ПОЯСОВ ЗЕМЛИ.........................................................800
Зыков В.М., Соловьев Ю.А.
Введение 800
2.11.1. Методика моделирования 801
2.11.2. Методы моделирования радиационных полей на ускорителях электронов 803
2.11.2.1. Общие принципы моделирования 803
2.11.2.2. Моделирование энергетических спектров электронов РПЗ на ускорителях 804
2.11.3. Индивидуальная разбраковка интегральных микросхем по радиационной стойкости 809
2.11.4. Моделирование электризации диэлектрических материалов под действием электронов 812
Литература 814
Глава 2.12. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИОННЫХ
ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА И ИМПУЛЬСНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
ПРОЧНОСТЬ.........................................................................815
Никифоров А.Ю., Чумаков А.И., Яненко А.В., Артамонов А.С., Калашников О.А.,
Скоробогатов П.К., Телец В.А., Брянда О.Е., Герасимов В.Ф., Улимов В.Н.
Введение 815
2.12.1. Рациональный состав и последовательность испытаний 818
2.12.2. Методы испытаний микросхем на стойкость к воздействию факторов 7.К
по ионизационным (дозовым) эффектам 819
2.12.2.1. Испытания с использованием рентгеновского имитатора 819
2.12.2.2. Испытания с использованием изотопных источников 822
2.12.2.3. Испытания с использованием источников импульсного электронного, протонного
и гамма-нейтронного излучений 823
2.12.3. Методы испытаний микросхем на стойкость к воздействию факторов 7.К по эффектам
структурных повреждений 824
2.12.3.1. Испытания с использованием ускорителя протонов 824
2.12.3.2. Испытания с использованием источника импульсного гамма-нейтронного излучения 825
2.12.3.3. Испытания с использованием изотопного имитационного источника 826
2.12.4. Методы испытаний ЭКБ на стойкость к воздействию факторов 7.К по одиночным эффектам 828
2.12.4.1. Испытания с использованием ускорителей протонов 828
2.12.4.2. Испытания с использованием ускорителей ионов 829
2.12.4.3. Испытания с использованием лазерного имитатора 830
2.12.4.4. Испытания с использованием изотопного имитатора 832
Литература 833
3. ВОЗДЕЙСТВИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ .... 834
Глава 3.1. ВЛИЯНИЕ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОЗОНОСФЕРУ, ИОНОСФЕРУ
И НЕЙТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ ... .......................................834
Адушкин В.В., Козлов С.И., Клюшников В.Ю., | Смирнова Н.В. |
Введение 834
3.1.1. Воздействие ракетно-космической техники на озоносферу 836
3.1.1.1. Механизмы 836
3.1.1.2. Моделирование 836
3.1.1.3. Результаты оценок 838
3.1.2. Воздействие ракетно-космической техники на ионосферу 841
3.1.2.1. Механизмы 841
3.1.2.2. Моделирование и оценка результатов 843
3.1.3. Влияние ракетно-космической техники на нейтральный состав верхней атмосферы 847
3.1.3.1. Механизмы 847
3.1.3.2. Моделирование и результаты анализа 848
3.1.4. Воздействие взрывов изделий ракетно-космической техники на околоземную среду 848
Заключение 853
Литература 853
1140
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 3.2. АКТИВНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ......................................855
Гаврилов Б.Г., Зецер Ю.И., Киселев Ю.Н., Козлов С.И.
Введение 855
3.2.1. Методы и средства активных воздействий, общая характеристика возникающих
возмущений 857
3.2.1.1. Взрывы химических ВВ 857
3.2.1.2. Инжекция химически активных веществ 860
3.2.1.3. Инжекция электронов 864
3.2.1.4. Инжекция ионов (плазмы) 867
3.2.1.5. Мощные радиоволны (воздействие высокопотенциальных радиотехнических средств) 869
3.2.2. Методы и средства диагностики искусственных возмущений 872
3.2.2.1. Измерения магнитных полей 873
3.2.2.2. Измерения параметров плазмы 873
3.2.2.3. Измерения плотности, зарядового состава и энергетического распределения
потоков заряженных частиц 874
3.2.2.4. Измерения электрических полей 874
3.2.2.5. Измерения оптических характеристик и параметров свечения плазмы
и окружающей среды 874
3.2.2.6. Наземные средства диагностики 875
3.2.3. Активные эксперименты по воздействию на ионосферу высокоскоростных плазменных струй 875
3.2.3.1. Взрывные генераторы высокоскоростной плазменной струи 876
3.2.3.2. Эксперименты «Кумулюс» и «Флаксус» 878
3.2.3.2. Эксперимент «Северная звезда» 882
Заключение 888
Литература 888
Глава 3.3. АКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНТРОПОГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ
СРЕДЕ: МЕТОДОЛОГИЯ, АППАРАТУРА, РЕЗУЛЬТАТЫ.............................................891
Авдюшин С.И., Алпатов В.В., | Ветчинкин Н.В\,| Романовский Ю,а\
Введение 891
3.3.1. Особенности методологии и аппаратурного обеспечения при проведении активных
экспериментов 893
3.3.2. Результаты исследований околоземного космического пространства 895
3.3.2.1. Динамика крупномасштабных долгоживущих искусственных плазменных
образований 895
3.3.2.2. Формирование неоднородной структуры ИПО 899
3.3.2.3. Экспериментальные исследования искусственно модифицированной
авроральной ионосферы 901
3.3.2.4. Экспериментальные исследования искусственно модифицированной
экваториальной ионосферы 905
3.3.3. Оптические эффекты в околоземной среде, вызываемые работой двигательных установок
ракет и спутников 909
3.3.3.1. Аппаратура и методика наблюдений 909
3.3.3.2. Результаты наблюдений 910
3.3.3.3. Обсуждение результатов наблюдений 913
Заключение 914
Литература 915
Глава 3.4. ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
В ОКРЕСТНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.................................................918
Корсун А.Г., Твердохлебова Е.М., Габдуллин Ф.Ф.
Введение 918
3.4.1. Динамика плазменных струй в космосе 919
3.4.1.1. Разлет плазменной струи в условиях геостационарной орбиты 920
3.4.1.2. Динамика плазменной струи в геомагнитном поле на низких орбитах 921
3.4.2. Вторичная плазма вблизи КА, возникающая при работе плазменных двигателей 924
3.4.3. Сопоставление моделей плазменных струй с результатами космических экспериментов 926
3.4.3.1. Эксперименты на геостационарном КА «Экспресс» 926
3.4.3.2. Эксперименты на низких околоземных орбитах по программе «Эпикур»
и на КА «Метеор» 928
3.4.4. Расширение сгустков плазмы в геомагнитном поле 931
ОГЛАВЛЕНИЕ
1141
3.4.5. Формирование собственной внешней ионосферы при истечении газовых потоков
из систем КА 933
3.4.6. Электрофизические процессы в собственной внешней ионосфере 934
3.4.6.1. Возмущение геомагнитного поля плазменной струей 935
3.4.6.2. Генерация плазменной струей электрических полей и токов на поверхности КА 936
3.4.6.3. Электростатические силы на поверхностях КА, обтекаемых плазмой 938
3.4.6.4. Генерация высоковольтными СБ электроразрядных процессов в СВИ КА 939
3.4.6.5. Оптические характеристики СВИ 941
Заключение 942
Литература 944
Глава 3.5. КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР - НОВАЯ ТЕХНОГЕННАЯ СРЕДА В ОКОЛОЗЕМНОМ
КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ............................................................946
Смирнов Н.Н., Киселев А.Б., Назаренко А.И., Никитин В.Ф.
Введение 946
3.5.1. Данные о загрязнении околоземного космического пространства 947
3.5.1.1. Засорение ОКП на низких околоземных орбитах 948
3.5.1.2. Засорение ОКП на геосинхронных (высоких) орбитах 951
3.5.2. Прогнозы эволюции техногенного загрязнения ОКП и возможность начала цепного
процесса саморазмножения КМ 954
3.5.3. Математическое моделирование эволюции космического мусора 959
3.5.3.1. Математическая модель 959
3.5.3.2. Асимптотический анализ долгосрочных прогнозов 961
3.5.3.3. Критерии возникновения цепного процесса саморазмножения КМ и условия
его обратимости 961
3.5.3.4. Численное исследование моделей долгосрочного прогноза с учетом
саморазмножения КМ 964
3.5.4. Расчет потока космического мусора на поверхность КА на заданной орбите 967
3.5.5. Прогнозирование эволюции многофазной популяции космического мусора с учетом
взаимных столкновений 973
3.5.5.1. Особенности математической модели и оценка вероятности столкновения 973
3.5.5.2. Модель фрагментации при высокоскоростном столкновении частиц КМ 975
3.5.5.3. Результаты моделирования столкновений элементов КМ 978
Заключение 979
Литература 980
Глава 3.6. ПРОБЛЕМА ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЗАСОРЕНИЯ ОКОЛОЗЕМНОГО
КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА...........................................................983
| Чекалин С.В.\, Яковлев М.В., Михайлов М.А.
Введение 983
3.6.1. Методы и средства контроля и прогноза техногенного засорения ОКП 984
3.6.2. Опасность столкновения космических объектов с орбитальным мусором 987
3.6.3. Опасность входа в атмосферу фрагментов космического мусора 990
3.6.4. Деятельность национальных и международных организаций по решению проблем
техногенного засорения ОКП 990
Литература 992
Глава 3.7. ВОЗМОЖНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ ФРАГМЕНТОВ
КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ЯДЕРНЫМИ
ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ НА БОРТУ........................................................993
Гринберг Э.И., Соколов Н.А.
Введение 993
3.7.1. Отечественные объекты с ядерными источниками энергии 994
3.7.2. Последствия возможного столкновения космического мусора с ядерными источниками
энергии 997
3.7.2.1. Вероятность появления радиоактивных обломков в космосе и на Земле 997
3.7.2.2. Появление в околоземном пространстве частиц Na-K 1000
3.7.3. Опасность космического мусора для перспективных ядерных источников энергии 1002
Литература 1003
1142
ОГЛАВЛЕНИЕ
4. НАТУРНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ.........................................1004
Глава 4.1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ОРБИТАЛЬНЫХ
КОСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЯХ............................................................1004
Марков А.В., Чурило И.В.
Введение 1004
4.1.1. История и основные подходы к проведению научно-технических экспериментов 1005
4.1.2. Основные итоги экспериментов на орбитальных станциях «Салют-6» и «Салют-7» 1008
4.1.3. Летные эксперименты на орбитальном комплексе «Мир» 1008
4.1.3.1. Испытания конструкционных и функциональных материалов 1008
4.1.3.2. Исследование собственной внешней атмосферы 1012
4.1.3.3. Изучение потоков микрометеороидов и техногенных частиц 1014
4.1.3.4. Изучение радиационной обстановки 1014
4.1.3.5. Исследование поведения реальных конструкций 1015
Заключение 1016
Литература 1016
Глава 4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ВНЕШНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА......................1018
Наумов С.Ф., Борисов В.А., Городецкий А.А., Соколова С.П., Герасимова Т.Н., Куриленок А.О.
Введение 1018
4.2.1. Эксперименты с помощью съемных кассет-контейнеров 1019
4.2.1.1. Методика и содержание исследований 1019
4.2.1.2. Результаты исследований 1026
4.2.2. Эксперименты «Эпсилон» и «Коэффициент» 1034
4.2.2.1. Аппаратура и методика измерений 1034
4.2.2.2. Результаты экспериментов 1035
Литература 1037
Глава 4.3. ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ «КОМПЛАСТ» НА
ОРБИТАЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ «МИР» И МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ ... 1039
Бахвалов Ю.О., Александров Н.Г, Смирнова Т.Н., Милинчук В.К., Клиншпонт Э.Р., Ананьева О.А.,
Пасевич О.Ф., Бабаевский П.Г., Козлов НА., Шубин А.Н., Новиков Л.С., Черник В.Н., Милеев В.Н.
Введение 1039
4.3.1. Натурные испытания полимерных материалов на орбитальной станции «Мир» 1041
4.3.1.1. Методика испытаний и образцы материалов 1041
4.3.1.2. Результаты послеполетных исследований образцов полимерных материалов 1042
4.3.1.3. Обсуждение результатов 1047
4.3.2. Дистанционный контроль роста трещин в клеевых соединениях 1049
4.3.2.1. Исследуемые образцы и методика измерений 1049
4.3.2.2. Результаты и их обсуждение 1051
Заключение 1054
Литература 1054
Глава 4.4. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТОЙКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА.....................1056
Деев И.С., Никишин Е.Ф.
Введение 1056
4.4.1. Исследования стойкости образцов композиционных материалов 1057
4.4.1.1. Методика исследований 1057
4.4.1.2. Результаты исследований 1058
4.4.2. Исследования стойкости терморегулирующих покрытий 1061
Литература 1067
Глава 4.5. ИЗМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПОЗИЦИИ В КОСМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.....................1068
Бабаевский П.Г., Козлов Н.А., Чурило И.В., Слагода В.В.
Введение 1068
4.5.1. Объекты и методики исследований 1070
4.5.2. Результаты и их обсуждение 1074
Заключение 1080
Литература 1081
ОГЛАВЛЕНИЕ 1143
5. СТАНДАРТЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ.............................................1082
Глава 5.1. СТАНДАРТИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ: ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ
И МЕЖДУНАРОДНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ...............................................1082
Лесновский Е.Н.
Введение 1082
5.1.1. Цели и объекты стандартизации 1083
5.1.2. Направления развития работ по стандартизации и совершенствованию нормативных
документов 1086
5.1.3. Основные принципы технического регулирования 1087
5.1.4. Международная стандартизация 1088
Приложение 1091
Глава 5.2. СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА СТОЙКОСТЬ
К ВОЗДЕЙСТВИЮ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ................................................1095
Брискман Б.А.
Введение 1095
5.2.1. Радиационная стойкость неметаллических материалов 1096
5.2.2. Радиационная стойкость радиоэлектронной аппаратуры 1101
5.2.3. Дозиметрия ионизирующих излучений 1101
5.2.4. Моделирование космической среды при радиационных испытаниях 1102
5.2.4.1. Общие подходы к моделированию 1102
5.2.4.2. Моделирование радиационного воздействия 1103
5.2.4.3. Методы радиационных испытаний солнечных батарей 1107
Литература 1108
Глава 5.3. СПРАВОЧНАЯ СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ПО СТОЙКОСТИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ
ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА.............................................1109
Галыгин А.Н., Тимофеев А.Н., Григоревский А.В.
Введение 1109
5.3.1. Построение и использование справочной системы 1110
5.3.1.1. Структура базы данных 1111
5.3.1.2. Примеры организации запросов и представления данных 1112
5.3.2. Структура рубрикатора 1115
Глава 5.4. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
«КОСМОТЕСТ» ПО РАДИАЦИОННОМУ И КОСМИЧЕСКОМУ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ...................1117
Шаварин Ю.Я., Смолянский А.С., Лунин А.В., Никитин Д.В., Суминов С.И.
Введение 1117
5.4.1. База данных «РадМат» по воздействию факторов космического пространства на материалы 1118
5.4.1.1. Структура базы данных 1118
5.4.1.2. Виды материалов 1118
5.4.1.3. Вид излучения 1118
5.4.1.4. Группы свойств 1120
5.4.1.5. Сводные таблицы данных по стойкости материалов к воздействию ФКП 1122
5.4.2. Принципы построения информационно-технологической системы «КосмоТест» 1124
Литература 1127
Научно-информационное издание
МОДЕЛЬ КОСМОСА
Под редакцией проф. М.И. Панасюка и проф. Л.С. Новикова
Том II. Воздействие космической среды на материалы
и оборудование космических аппаратов
Техническое редактирование
Дизайн
Оформление рисунков
Корректура
И. Кулиш
О. Куц
И. Зыкова-Бильчик,
О. Куц, И. Кулиш
Е. Вольская
Оригинал-макет подготовлен
ЗАО «Библион - Русская книга»
Подп. в печать 20.05.07.
Формат 70x100/16. Бумага офсетная.
Гарнитура Times New Roman. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 92,95. Тираж 1000 экз. Заказ № 1211.
ООО «Издательство «КДУ», 119234, Москва, а/я 587
Тел./факс: (495) 939-57-32, 939-40-51
E-mail: kdu@kdu.ru Http://www.kdu.ru
Отпечатано в полном соответствии с качеством
предоставленных диапозитивов
в ООО «Чебоксарская типография №1».
428019, г. Чебоксары, пр. И. Яковлева, 15