Космическое материаловедение. Акишин А.И.

А. И. Акишин, Л. С. Новиков. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов

Космическое материаловедение. Акишин А.И.

Сканировал и обработал Юрий Аболонко (Смоленск)

НОВОЕ В ЖИЗНИ, НАУКЕ, ТЕХНИКЕ

ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ

КОСМОНАВТИКА, АСТРОНОМИЯ

4/1983 Издается ежемесячно с 1971 г.

А. И. Акишин, доктор технических наук Л. С. Новиков,

кандидат физико-математических наук

ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА МАТЕРИАЛЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

в приложении этого номера: ХРОНИКА КОСМОНАВТИКИ
Издательство «Знание» Москва 1983

ББК 39.62

А39

Акишин А. И., Новиков Л. С.

А39 Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов. – М.: Знание, 1983. – 64 с, ил. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия», № 4).

11 к.

Процессы воздействия космической среды на материалы спутников, орбитальных и межпланетных станций определяют такие их характеристики, как продолжительность активного существования, надежность работы и защитные функции при пилотируемых полетах. В брошюре даны современные представления об этих процессах, изучение которых обусловливает дальнейший прогресс космических исследований.

Брошюра рассчитана на всех интересующихся современными проблемами космонавтики.

3607000000ББК 39.62
6Т6

© Издательство «Знание», 1983 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Воздействуют ли на материалы… пустота?

Чистота – залог безотказной работы

Опасно ли столкновение с молекулой?

О пользе и вреде солнечных ванн

Навстречу солнечному ветру

Как воздействует проникающая радиация

Тяжелые ядра против ЭВМ

Щит для солнечных батарей

Куда течет ток?

Молнии на борту КА

Пылинка или снаряд?

Задолго до старта

Заключение

Рекомендуемая литература

Приложение: Хроника космонавтики

ВВЕДЕНИЕ

С начала 70-х годов развитие космонавтики характеризуется все более широким ее проникновением в различные сферы практической деятельности человечества и использованием космической техники для решения самых разнообразных прикладных задач.

Исследование природных ресурсов и метеорология, навигация и геодезия, системы связи и технология – вот далеко не полный перечень областей, в которых применяются новейшие достижения ракетно-космической техники и космического приборостроения.

В нашей стране всегда огромное внимание уделялось созданию космических систем народнохозяйственного назначения. В июле 1975 г. газета «Правда» писала в передовой статье: «…Космонавтика планомерно увеличивает свой вклад в решение народнохозяйственных задач.

Неуклонно возрастает и спрос на ее «услуги» – все больше научных учреждений, предприятий, организаций и ведомств подает заявки на проведение в космосе интересующих их работ.

С каждым новым полетом возрастает отдача исследований, которые проводятся на околоземных орбитах…»

Для реализации народнохозяйственных программ в нашей стране используются космические аппараты (КА) различных типов: пилотируемые долговременные орбитальные космические станции (ОКС) «Салют», искусственные спутники Земли (ИСЗ) серии «Метеор», предназначенные для метеорологических наблюдений и исследования природных ресурсов, ИСЗ серии «Молния», «Экран», «Радуга», «Горизонт» и др.

В будущем на повестке дня космонавтики встанут новые грандиозные проекты, такие, например, как создание солнечных космических электростанций мощностью 5 – 10 ГВт, площадь солнечных батарей которых составит десятки квадратных километров, а масса десятки тысяч тонн, монтаж на околоземных орбитах производственно-технологических комплексов и уникальных по своим возможностям радиоастрономических обсерваторий.

В условиях, когда космонавтика становится важной составной частью хозяйственного механизма, особое значение приобретают вопросы рентабельности и экономической эффективности использования космической техники.

Учитывая, что стоимость эксплуатации КА во много раз ниже стоимости его разработки и вывода на орбиту, необходимо всемерно увеличивать срок службы КА.

В настоящее время все чаще выдвигается требование, чтобы космические аппараты надежно функционировали на орбите в течение 10 лет и более, а для проектируемых солнечных электростанций с учетом колоссальных затрат? на их создание (15 – 40 млрд. долл., по оценкам зарубежных специалистов) срок службы должен составлять 20 – 30 лет.

Важнейшую роль в обеспечении длительной и безотказной работы космических аппаратов играет стойкость конструкционных материалов и элементов аппаратуры КА к воздействию внешних факторов.

На КА воздействует целый комплекс факторов космической среды: глубокий вакуум, корпускулярные и электромагнитные излучения разных видов, метеороиды, невесомость и т. д. КА, предназначенные для исследования планет, и вовсе могут оказываться в весьма специфических условиях.

Так, на поверхности Венеры температура достигает почти 500°С при давлении около 90 атм, на поверхности Марса КА может подвергаться воздействию пылевых бурь – потоков частиц грунта, движущихся со скоростью 30 – 100 м/с.

При полете к внешним планетам Солнечной системы (Юпитеру, Сатурну) КА проходят через астероидный пояс, расположенный между орбитами Марса и Юпитера. Серьезную опасность для аппаратуры КА при его пролете вблизи Юпитера представляет мощный радиационный пояс планеты.

Многообразие факторов космического пространства (ФКП), воздействующих на КА, сложные энергетические спектры воздействующих корпускулярных и электромагнитных излучений, возможность воздействия ФКП в различных сочетаниях и в разной временной последовательности – все это значительно затрудняет изучение и прогнозирование поведения материалов КА в условиях космической среды. Интенсивные исследования в этой области, стимулированные запросами бурно развивающейся космической техники, привели фактически к созданию нового научного направления – космического материаловедения, в задачи которого входит экспериментальное и теоретическое изучение изменения физических свойств и эксплуатационных характеристик конструкционных материалов под действием ФКП, создание новых материалов1, разработка средств защиты материалов и элементов аппаратуры от воздействия ФКП.

1 Последнее часто относят к так называемой космической технологии.

Однако все более распространенным становится мнение, что «такие научные направления, как «космическое материаловедение» и «космическая технология», представляют собой, по существу, единую науку о поведении материалов и способах их получения и соединения в космических условиях» (Космическое материаловедение и технология / Отв. ред. Охотин А. С. М., Наука, 1977). Присоединяясь к этому мнению, мы здесь и в дальнейшем обе дисциплины объединяем под одним названием – космическим материаловедением.

За годы развития космическое материаловедение достигло значительных успехов, в первую очередь в обеспечении устойчивости материалов к воздействию сверхвысокого вакуума и ионизирующих излучений.

Благодаря выполненным исследованиям повышена радиационная стойкость элементов солнечных батарей, оптических систем, электронной аппаратуры, систем терморегулирования КА и т. д. Предложены конкретные меры по защите наиболее уязвимых узлов бортовой аппаратуры.

Впечатляющим свидетельством достигнутых успехов в обеспечении жизнестойкости КА являются длительная безотказная работа советских лунных аппаратов «Луноход-1» и «Луноход-2», эффективное функционирование ОКС «Салют-6» в течение почти пятилетнего периода, успешные исследования атмосфер и поверхности Венеры и Марса спускаемыми аппаратами советских межпланетных автоматических станций.

С созданием в нашей стране ОКС типа «Салют» интенсивное развитие получили эксперименты в области космической технологии. Большое число таких экспериментов, в том числе по ряду международных программ, было выполнено на ОКС «Салют-6». Работы в этом направлении продолжаются и на борту ОКС «Салют-7».

Расширение сфер практического приложения космической техники неизбежно повышает требования к качеству конструкционных материалов и ставит новые, порой неожиданные задачи в области космического материаловедения.

В качестве примера можно указать проблему накопления значительных электростатических зарядов на КА, с которой пришлось столкнуться лишь в начале 70-х годов при запусках первых геостационарных ИСЗ (высота орбиты 36 тыс.

км).

Таким образом, космическое материаловедение, история которого насчитывает лишь немногим более двух десятков лет, продолжает стремительно развиваться, опираясь на новейшие достижения в смежных областях науки и техники и, в свою очередь, внося вклад в развитие смежных областей – вакуумной и радиационной техники, технологии полупроводникового приборостроения, технологии производства сверхчистых материалов.

В предлагаемой брошюре освещены наиболее актуальные проблемы космического материаловедения, рассмотрены физические и прикладные аспекты различных явлений, возникающих при воздействии факторов космического пространства на материалы и элементы КА, описаны принципы и некоторые методы моделирования воздействия ФКП, показаны перспективы развития космического материаловедения.

ВОЗДЕЙСТВУЕТ ЛИ НА МАТЕРИАЛЫ… ПУСТОТА!

Сочетание слов «космический вакуум», встречающееся на страницах газет и журналов, по радио и в телевизионных передачах, стало уже для нас привычным.

Понятие «космос» в нашем сознании неразрывно связано с представлением о безвоздушном пространстве, некой бесконечной пустоте, в которой движутся планеты и звезды. Слово «вакуум» в переводе с латинского и означает «пустота».

В науке и технике под вакуумом понимается состояние газа при давлении ниже атмосферного. Давление воздуха в атмосфере Земли с увеличением высоты убывает по закону, близкому к экспоненциальному.

Для нас представляют интерес параметры атмосферы на тех высотах, где КА может функционировать в течение длительного времени. В табл.

1 приведены значения давления, плотности и температуры воздуха, а также концентрации нейтральных частиц в атмосфере Земли, начиная с высоты 200 км, которая обычно принимается за нижнюю границу орбитальных полетов, до высот в десятки тысяч километров, на которых функционируют ИСЗ, запускаемые на геостационарные и высокоэллиптические орбиты.

Сразу же отметим, что температура, приведенная здесь в четвертой колонке, характеризует лишь кинетическую энергию частиц газа и не оказывает прямого влияния на температуру поверхности КА в силу крайней разреженности среды.

Таблица 1

Изменение параметров атмосферы Земли с высотой

Высота, кмДавление, ПаПлотность, г/см3Температура, ККонцентрация частиц, см–3
2008,5 · 10–53,0 · 10–131 2007,0 · 109
3001,0 · 10–52,5 · 10–141 5008,0 · 108
5004,0 · 10–73,0 · 10–161 6002,5 · 107
1 0004,0 · 10–91,5 · 10–181 6001,5 · 105
2 0008,0 · 10–102,0 · 10–191 8002,0 · 104
3 0005,0 · 10–101,0 · 10–192 0001,0 · 104
5 0004,0 · 10–104,0 · 10–203 0004,0 · 103
10 0002,5 · 10–101,0 · 10–2015 0001,0 · 103
20 000*1,0 · 10–102,0 · 10–2150 0001,0 · 102
30 0002,5 · 10–116,0 · 10–221 · 10510
50 0001,5 · 10–112,5 · 10–222 · 1053 – 4

* На высотах более 20 000 км частицы находятся преимущественно в ионизованном состоянии.

Из табл. 1 видно, что в рассматриваемом диапазоне высот давление надает более чем на 6 порядков. Используя терминологию вакуумной техники, вакуум на высотах 200 – 400 км можно охарактеризовать как высокий, на высотах до 3 – 5 тыс. км – как очень высокий, а на еще больших высотах КА находятся в сверхвысоком вакууме.

Выше 30 тыс. км давление и концентрация частиц газа уже мало отличаются от соответствующих параметров в межпланетном пространстве. Межпланетное пространство, в котором в 1 см3 содержится лишь несколько газовых частиц, действительно можно назвать «пустым».

Не надо, однако, забывать, что в этом пространстве присутствуют также корпускулярные и электромагнитные излучения, потоки метеорных тел, магнитные и гравитационные поля и т. д., т. е. различные виды материи. Так что понятие «пустота» по отношению к космическому пространству следует воспринимать весьма условно.

Но пока мы отвлечемся от комплексного характера космической среды и будем принимать во внимание лишь ее разреженность, т. е. то, что она прежде всего представляет собой космический вакуум.

В вакууме любой материал выделяет газы и пары, адсорбированные на поверхности и находящиеся (абсорбированные) в объеме материала.

В последнем случае процессу газовыделения предшествует диффузия атомов и молекул газов к поверхности. Аналогичным образом происходит испарение из материалов различных примесей и добавок.

И наконец, с поверхности происходит испарение (сублимация) основного материала.

Скорость испарения характеризуется массой вещества, испаряющегося в единицу времени с единицы поверхности материала. Эта скорость возрастает при увеличении температуры поверхности, она зависит также от условий отвода паров от поверхности: чем ниже давление паров над поверхностью по отношению к давлению насыщенного пара испаряющегося вещества, тем выше скорость испарения.

Понятно, что для использования на открытых поверхностях КА нужно выбирать материалы с низкой скоростью испарения при той температуре, до которой они могут нагреваться в условиях космического пространства.

Например, толщина пластины, изготовленной из кадмия или цинка, уменьшается за счет испарения в вакууме приблизительно на 0,1 мм в год уже при температуре 100 — 150°С, которая вполне реальна на поверхности КА за счет нагрева солнечным излучением.

Чтобы получить такое же уменьшение толщины для пластины из алюминия, меди или никеля, пластины нужно нагреть до 750 — 1000°С, а при 100 — 150°С эти материалы практически не испаряются.

Для реально используемых конструкционных материалов потеря массы за счет испарения в космическом вакууме обычно столь незначительна, что не приходится учитывать уменьшение толщины слоев материалов, за исключением случаев специальных очень тонких пленок и покрытий, а также при эксплуатации материалов при высоких температурах. Однако это вовсе не означает, что пребывание в вакууме проходит бесследно для материалов.

Процессы газовыделения и сублимации существенно» изменяют состояние поверхности и приповерхностных слоев материалов за счет удаления поглощенных газов с поверхности и из объема, разрушения окисных пленок на поверхности, удаления примесей, образования микронеровностей на поверхности в результате неравномерного испарения и т. д.

Все это приводит к изменению механических, оптических и электрофизических характеристик материалов. И в этом смысле действительно можно говорить о воздействии космического вакуума — «пустоты» — на конструкционные материалы. Некоторые примеры такого влияния вакуумных условий на свойства материалов мы рассмотрим несколько позже.

А сейчас перейдем к еще одной проблеме, непосредственно связанной с работой КА в вакууме.

ЧИСТОТА — ЗАЛОГ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ

Процессы газовыделения и сублимации материалов в вакууме приводят к образованию около КА газового облака, на которое воздействуют гравитационные силы, давление света, силы аэродинамического торможения и т. д.

Это облако, в состав которого также входят твердые частицы, отрывающиеся от поверхности КА, продукты выхлопа двигателей, газы и твердые частицы, попадающие в космическое пространство из внутренних отсеков за счет утечек, при шлюзовании и т. д., принято называть собственной внешней атмосферой (СВА) космического аппарата.

Часть газовых частиц СВА возбуждается и ионизируется солнечным ультрафиолетовым излучением и корпускулярными потоками, подобно тому как это происходит в атмосфере Земли.

Из-за наличия СВА давление в непосредственной близости от КА может значительно (иногда на несколько порядков) превышать давление в окружающем космическом пространстве. Плотность СВА непостоянна во времени.

В первые сутки и даже недели после вывода КА на орбиту идет его интенсивное обезгаживание, вследствие чего плотность СВА довольно высока.

По окончании периода послезапускового обезгаживания плотность СВА обычно стабилизируется на некотором уровне, определяемом состоянием динамического равновесия между процессами поступления частиц в газовое облако, возврата их на поверхность КА и рассеяния в окружающее пространство.

Для американской ОКС «Скайлэб», например, в установившемся состоянии непрерывные потери массы составляли 10–1 г/с.

Из этого количества 2 · 10–2 г/с приходилось на утечки из гермоотсеков (что за сутки составляло 1,7 кг) и 10–3 г/с – на утечки ракетного топлива через клапаны двигателей.

Остальные потери массы были в основном обусловлены сублимацией различных неметаллических материалов, которых насчитывалось порядка 200, а суммарная площадь составляла около 23 000 м2.

Функционирование современных сложных КА, в том числе долговременных ОКС, неизбежно сопряжено с включением двигателей ориентации и коррекции, открытием шлюзовых камер, осуществлением стыковых транспортных КА.

Во время этих операций происходит резкое возрастание плотности СВА за счет выбросов значительных количеств жидких и газообразных продуктов в окружающую среду.

Так, двигатели ориентации на американском космическом корабле «Аполлон» периодически выбрасывали около 200 г несгоревшего ракетного топлива, в то время как непрерывные потери массы для этого корабля составляли 3 · 10–2 г/с.

Пространственное распределение плотности СВА в окрестности КА имеет сложный характер и в значительной степени определяется геометрией КА, расположением источников утечки, характеристиками используемых материалов и т. д.

На первой странице обложки показано распределение плотности СВА в пространстве около ОКС в установившемся состоянии, когда начальное обезгаживание станции уже закончилось и не было возмущающих выбросов (в частности, выключены двигатели коррекции, закрыты шлюзовые камеры).

Плотность атмосферы Земли на высоте полета этой ОКС составляла около 4 · 10–15 г/см3.

Воздействие СВА на материалы и элементы аппаратуры сводится в основном к следующим эффектам: 1) загрязнению поверхности осаждающимися продуктами СВА; 2) увеличению светового фона в окрестности КА за счет рассеяния света на частицах СВА и люминесцентного свечения; 3) возрастанию токов утечки в открытых высоковольтных устройствах и снижению их электрической прочности за счет «ухудшения» вакуума.

Загрязнение отрицательно влияет прежде всего на оптические поверхности КА: иллюминаторы, линзы телескопов и астронавигационных приборов, а также на солнечные батареи, терморегулирующие покрытия и т. д. Чувствительны к загрязнению и многие другие элементы аппаратуры КА, такие, как плазменные зонды, детекторы заряженных частиц малых энергий, коммутирующие устройства.

Осадок продуктов СВА состоит главным образом из органических веществ с высоким молекулярным весом. Источниками таких веществ на КА являются продукты топлива двигателей, краски, электроизоляционные материалы, резина и т. д. Закреплению осевших частиц на поверхности способствует солнечное ультрафиолетовое излучение, под действием которого происходит полимеризация многих органических молекул.

Перенос загрязняющих веществ осуществляется в основном в результате прямого попадания потоков частиц от источников на различные участки поверхности КА.

При высокой плотности СВА некоторая доля частиц может попадать на поверхность после столкновений с другими частицами в газовом облаке, т. е. изменив первоначальное направление движения.

На перенос заряженных частиц СВА оказывают влияние электрические и магнитные поля вблизи КА, создавая дополнительные условия для попадания загрязняющих веществ на его поверхности, находящиеся вне видимости из точки испускания частиц.

Загрязнение оптических элементов изменяет характеристики пропускания и отражения ими света, создает дополнительное его рассеяние на оптических поверхностях. Указанные факторы могут приводить к существенному ухудшению параметров оптических приборов и даже к полному выходу приборов из строя, как это, например, произошло с бортовым спектрометром на метеорологическом ИСЗ «Нимбус-4».

Во время первого пилотируемого полета к Луне на КА «Аполлон-8», через несколько часов после старта, было обнаружено загрязнение наружной поверхности иллюминаторов. А на четвертые сутки полета, когда корабль находился уже на окололунной орбите, три из пяти иллюминаторов оказались сильно загрязненными, что мешало наблюдениям.

Подобные явление характерны и для долговременных ОКС. На некоторых участках поверхности ОКС «Скайлэб» после 120 сут полета плотность массы осажденных продуктов СВА превысила 50 мкг/см2, что соответствовало толщине слоя 0,2 – 0,3 мкм.

Космонавты Л. Д. Кизим, О. Г. Макаров и Г. М. Стрекалов, проводя тщательный осмотр ОКС «Салют-6» в начале декабря 1980 г., т. е. после более трех лет ее пребывания в космосе, отметили наличие пятен полупрозрачного коричневого осадка на стеклах некоторых иллюминаторов.

Загрязнение явилось и одной из причин постепенного ухудшения отражательной способности зеркала субмиллиметрового телескопа БСТ-1М на ОКС «Салют-6». Для восстановления нормальной работоспособности телескопа летом 1960 г. на станцию пришлось доставить дополнительный усилитель.

Чтобы количественно оценить влияние загрязнений на характеристики оптических устройств, необходимо знать толщину осаждающейся пленки, ее состав и структуру, показатель преломления и другие параметры. Экспериментальное исследование процессов осаждения загрязнений на различные материалы, а также изучение образовавшихся пленок являются одними из важных задач космического материаловедения.

Газовое облако СВА, как уже отмечалось, создает дополнительный световой фон для оптических приборов за счет рассеяния света внешних источников (прямого солнечного света, а также света, отраженного от элементов конструкции КА и от Земли).

Наибольший интерес представляет собой свечение отдельных крупных частиц в газовом облаке. Яркость свечения частиц диаметром несколько микрометров близка к яркости звезд первой или даже нулевой звездной величины.

Такие частицы могут служить ложными ориентирами для астронавигационных приборов и приводить к сбоям в системах ориентации КА.

Источник: http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1983/4/vozdeistvie.html

1

Космическое материаловедение. Акишин А.И.

Книги по всем темамPages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   …   | 20 | МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.

СКОБЕЛЬЦЫНА АКИШИН А.И.

КОСМИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ МОСКВА 2007 ББК 22.383 УДК 621. 315.3; 537.226; 537.311 Акишин А.И. Космическое материаловедение. Методическое и учебное пособие.–М: НИИЯФ МГУ, 2007, с. 209.

Описан период становления в НИИЯФ МГУ (1962-1991гг.) нового научного направления-«Космического материаловедения». Показана выдающаяся роль академика С.Н.Вернова, профессоров С.С.Васильева и И.Б.Теплова в развитии этой науки.

Изложены методы имитации воздействия различных факторов космического пространства на материалы и элементы космических аппаратов, в том числе космических корпускулярных излучений, с использованием ускорителей заряженных частиц НИИЯФ МГУ и других организаций.

Исследована радиационная стойкость оптических стекол, в том числе механизм электрического пробоя радиационно-заряженных стекол и других диэлектриков. Изложен процесс кумуляции энергии в разрядном канале.

Исследовано влияние радиационных и электроразрядных эффектов на работоспособность фотопреобразователей солнечных батарей ИСЗ в процессе их облучения в вакууме электронами и протонами с энергией 0,03 – 10 МэВ. Рассмотрены методы имитации и природа радиационных одиночных сбоев микросхем при воздействии ядер космического излучения.

Приведены данные по имитации воздействия на космические материалы частиц космической пыли с v~0,1-20 км/с, потоков атомарного кислорода с энергией 5-20 эВ и продуктов собственной внешней атмосферы космических аппаратов. В пособии приведен обширный список научных публикаций по космическому материаловедению.

Издание предназначено для студентов и аспирантов отделения ядерной физики Физического факультета МГУ и МИЭМ.

© Московский государственный университет © НИИЯФ МГУ © Акишин А.И.

2 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 4 1 Истоки космического материаловедения 5 2 Методы радиационных испытаний материалов косми- ческой техники 3 Объемные разряды в радиационно-заряженных ди- электриках 4 Электрический взрыв при разряде в стеклах, облучен- ных протонами 5 Воздействие космических корпускулярных излучений на оптические материалы 6 Эмиссионные и разрядные явления на поверхности диэлектриков и в вакууме 7 Радиационные и электроразрядные эффекты в сол- нечных батареях ИСЗ 8 Роль электроразрядных явлений в радиационных ано- малиях ИСЗ 9 Взаимодействие ионосферных частиц с материалами космических аппаратов 10 Имитация воздействия микрометеорных частиц на космические материалы 11 Воздействие собственной внешней атмосферы космиче- ских аппаратов на их материалы и оборудование 12 Опасность электроразрядного повреждения изоляци- онных материалов ядерных установок при радиационной зарядке Литература по разделам ВВЕДЕНИЕ.

Одним из важнейших факторов, воздействующих на космические аппараты (КА), являются заряженные частицы средних и высоких энергий (~0,01 – 100 МэВ), входящие в состав радиационных поясов Земли, космического корпускулярного излучения солнечного и галактического происхождения.

Потоки этих частиц состоят преимущественно из электронов и протонов с относительно небольшим содержанием альфачастиц и более тяжелых ионов. Радиационные условия на борту КА зависят прежде всего от типа орбиты аппарата, т.е.

от того через какие зоны космической радиации проходит аппарат, а также от особенностей конструкции КА. Под действием корпускулярных излучений в материалах и элементах КА возникают различного рода обратимые и необратимые эффекты, приводящие к нарушению нормального функционирования бортовых систем КА.

Современные КА имеют срок службы ~7-лет. В этой связи повышению радиационной стойкости материалов и аппаратуры КА уделяется большое внимание.

Проблема радиационной стойкости бортовой аппаратуры КА обостряется, в связи с внедрением в космическое аппаратостроение элементов современной микроэлектроники с высокой степенью интеграции, волоконной и интегральной оптики, криоэлектроники и т.п. В последнее десятилетие резко возросло внимание к радиационным одиночным сбоям в элементах памяти и микропроцессорах бортовых компьютеров при воздействии одиночных ядер космических излучений.

Диэлектрические материалы при облучении заряженными частицами с энергией 1-100 МэВ могут аккумулировать избыточный электрический заряд и создавать в объеме облученного материала высокие электрические потенциалы.

Способность диэлектрика эффективно аккумулировать электрический заряд определяется его высоким удельным сопротивлением (>1014 ом.см), гетерогенностью структуры и наличием глубоких энергетических ловушек в запрещенной зоне.

Если напряженность электрического поля в объеме облученного диэлектрика от внедренного заряда превысит его электрическую прочность (1-1,5 МВ/см), то произойдет электрический пробой диэлектрика на его поверхность.

При некоторых условиях характер кумуляции энергии в разрядном канале соответствует электрическому взрыву, при этом в окружающую среду инжектируется плазмоид, создающий широкий спектр электромагнитных помех( ЭМП).

При определенных условиях объемные разряды, протекающие в радиационно-заряженных изоляционных материалах сверхпроводящей магнитной системы международного термоядерного реактора (ТЯР) типа ИТЕР, функционирующих при криогенных температурах, могут быть опасны для этой системы в связи с возможной электроразрядной деструкцией изоляционных материалов.

Большое влияние на работоспособность космических материалов оказывают и другие факторы космической среды: космическая пыль, потоки атомарного кислорода, продукты собственной внешней атмосферы КА.

В настоящем пособии рассмотрены методы радиационных испытаний материалов космической техники и проанализированы физические и технические проблемы, связанные с разрядными явлениями в объеме радиационно-заряженных диэлектрических материалах и элементах, и их влиянием на работу космического оборудования, в том числе солнечных батарей геостационарных ИСЗ.

Автор признателен М.И. Панасюку, Б.С. Ишханову, Е.А. Романовскому за поддержку, А.В. Спасскому, К.И. Стратилатовой, Я.А. Тепловой за полезные замечания, В.П.Бабаеву, Э.А.Витошкину, Г.А.Симонову, Ю.И. Тарасову за помощь в подготовке издания методического и учебного пособия.

1. ИСТОКИ КОСМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛОВЕДНИЯ Подготовка к первым экспериментам в НИИЯФ МГУ по имитации воздействия космических корпускулярных излучений на материалы и элементы оборудования искусственных спутников Земли (ИСЗ) и, в частности, на терморегулирующие покрытия началась по инициативе директора НИИЯФ МГУ академика С.Н. Вернова в конце 1961 г.

Испытания проводились в лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) НИИЯФ МГУ (заведующий лабораторией профессор С.С.Васильев) на электромагнитном сепараторе. Организация таких исследований в НИИЯФ МГУ была связана с обращением Главного конструктора космической техники С.П. Королева к С.Н. Вернову.

Необходимо было выявить наиболее устойчивые типы терморегулирующих покрытий для долгоживущих космических аппаратов (КА). Впоследствии, неоднократно приходилось выполнять срочные задания от С.Н. Вернова (рис.

1) по исследованию и прогнозированию работоспособности различных материалов и элментов космических аппаратов: фотопреобразователей солнечных батарей ИСЗ «Электрон», элементов системы астронавигации и оптического оборудования, электронных приборов и пр.

Испытания проводились, как правило, в связи с личным обращением к С.Н. Вернову главных конструкторов космических аппаратов (В.Н. Челомея, М.Ф. Решетнева, Г.Н.

Бабакина, Н.С. Лидоренко и др.).

В 1965 г. в институте была создана лаборатория космического материаловедения (ЛКМ) под руководством профессора А.И. Акишина. В 1981 г.

ЛКМ вошла в состав Отдела ядерных и космических исследований (ОЯКИ), возглавляемого профессором И.Б.Тепловым, где исследования получили дальнейшее развитие. С г. руководитель ОЯКИ — профессор Л.С. Новиков.

Рис.1. Академик Благодаря созданному по замыслам заведующего лабораторией ядерных С.Н. Вернов (1910-1982) реакций профессора С.С.Васильева (рис.

2) ускорительному комплексу НИИЯФ МГУ, на всех установках удалось развить исследования по радиационной стойкости материалов и элементов космической техники, и эти первые научные исследования, выполненными в НИИЯФ МГУ, заложили основы нового научного направления – космического материаловедения.

Уже ко второй половине 1960–х годов были получены важнейшие результаты в этой новой области, признанные как у нас в стране, так и за рубежом.

Предложены и осуществлены рекомендации по повышению радиационной стойкости материалов и элементов бортового оборудования КА. Результаты исследований, проведенных в 1962-1978гг.

[1-15] под руководством академика С.Н.Вернова, профессоров А.И. Акишина и Рис.2. Профессор С.С.

И.Б.Теплова (рис.3), вошли в цикл Васильев (1908-1981) работ, удостоенных Государственной премии СССР (1979г.).

Для этих работ в основном использовалась экспериментальная база ЛЯР НИИЯФ МГУ: циклотрон У-120 с энергией протонов до 6,3 МэВ, электростатический ускоритель ЭГ-8 с напряжением 4МВ, каскадный генератор КГ-500 с энергией протонов 100-500 КэВ, электромагнитный сепаратор с энергией протонов до 30 КэВ..

Для воздействия на материалы фотонных ионизирующих излучений использовалась кобальтовая пушка и рентгеновская установка РУП-400.

Исследования также проводились на электронных ускорителях c энергиями электронов 2 и МэВ (ИМЕТ им. А.А. Байкова, зав. лаб., профессор, Рис.3 Профессора, Лауреаты Государлауреат Государственной ственной премии СССР: А.И. Акишин, премии СССР Л.И.Иванов) И.Б. Теплов, Ю.И. Логачев, и на протонном инжекторе Е.В. Горчаков (слева направо) c энергией протонов МэВ (ИФВЭ г. Протвино).

В ЛКМ было создано и запущено несколько оригинальных имитационных установок:

– Плазмотроны для генерации и имитации потоков ионосферной кислородной плазмы с энергией ионов в 10 — 20 эВ (рис.4).

– Установка комплексного воздействия на материалы (электроны с Е=30 КэВ, имитатор солнечного излучения, вакуум 10-6 Па).

– Установка по имитации радиационных одиночных сбоев (РОС) в микросхемах с использованием осколков деления радиоактивного изотопа калифорния-252 и лазерных импульсных пучков.

– Ускорители потоков заряженных металлических микрочастиц, с массой 1010 -10-12г., имитирующих потоки космической пыли.

Рис. 4. С.К. Гужова, Г.Г. Соловьев, В.А. Кудичев, В.И. Титов, А.И. Акишин исследуют воздействие высокочастотной кислородной плазмы на терморегулирующее покрытие КА С.Н. Вернов много внимания уделял постановке исследований по радиационной стойкости кремниевых фотопреобразователей солнечных батарей ИСЗ на ускорителях заряженных частиц НИИЯФ МГУ.

В реальной космической обстановке типичное проявление радиационного повреждения кремниевых фотопреобразователей солнечной батареи – снижение напряжения и тока короткого замыкания, что обнаружилось при запуске в 1964г. ИСЗ «Электрон-1» в течение первого месяца его полета.

Как показали последующие имитационные радиационные испытания фотопреобразователей на циклотроне и каскадном ускорителе НИИЯФ МГУ снижение рабочих характеристик солнечных батарей ИСЗ «Электрон-1» было вызвано в основном протонами с энергией менее 1 МэВ, т.к.

солнечные батареи эксплуатировались без радиационной защиты в виде покровных стекол.

Последующее экранирование фотопреобразователей солнечных батарей искусственных спутников Земли «Электрон-3,4» тонким слоем лака непосредственно перед запуском на стартовой площадке позволила уменьшить скорость снижения напряжения солнечных батарей в десятки раз и таким образом продлить ресурс их работы до года.

В дальнейшем при активной поддержке С.Н. Вернова совместно с научно-производственным объединением «Квант» был проведен большой объем исследований радиационной стойкости различных типов кремниевых фотопреобразователей при облучении протонами и ионами гелия в энергетическом интервале 0,1-30 МэВ.

Известно, что материалы и элементы оборудования ИСЗ подвергаются воздействию тяжелых одиночных ядер космических лучей высокой энергии.

Плотность потока таких ядер низка по сравнению с плотностью потока протонов, однако, из-за высокого ядерного заряда линейные потери энергии, например в треке ядра железа с Е~МэВ/нуклон в кремнии составляют около 27 МэВ см2.мг-1.

Время ре-лаксации ионизационной составляющей трека ~ 10 с, диаметр трека менее 0,1 мкм. Доза излучения в центре трека 105Гр. При воздействии таких ядер на микросхемы с высоким уровнем интеграции возникают радиационные одиночные сбои (РОС).

В микропроцессорах радиационные шумы создают ложные команды. Наблюдаются случаи необратимых отказов микросхем за счет выгорания мощных транзисторов. Радиационные одиночные сбои (РОС) микросхем – одна из причин радиационных аномалий искусственных спутников Земли.

В 1979 г. автор этих строк ознакомил С.Н. Вернова с проблемой радиационных сбоев больших интегральных схем, возникающих в бортовом электронном оборудовании американских ИСЗ. В те годы в США стали уделять много внимания этому явлению. С.Н. Вернов заинтересовался этой проблемой, т.к.

сразу понял, что появился новый аргумент для расширения исследований химического состава ядер в космических лучах галактического происхождения на борту ИСЗ в виду его научного и прикладного значения.

Сергей Николаевич рекомендовал как можно быстрее организовать в лаборатории изучение физических основ радиационных одиночных сбоев микросхем.

В лаборатории космического материаловедения для изучения радиационных сбоев микросхем развивались две методики.

Первая была основана на имитации РОС микросхем с помощью радиоактивного изотопа калифорний-252, в котором за счет спонтанного деления ядер образуются осколки деления со средней энергией около 80 и 110 МэВ с высоким ядерным зарядом и с линейной потерей энергии 40-45 МэВ см2мг-1, что выше, чем у ядер железа космических лучей.

Этот метод позволяет оценить верхний предел сечения радиационных одиночных сбоев микросхем, однако критический заряд РОС измерить невозможно. Недостаток методики состоял в том, что облучение микросхем приходилось проводить в вакууме, так как пробег осколков деления в кремнии составляет около 15 мкм.

Другая методика имитации радиационных сбоев микросхем была основана на применении остросфокусированного импульсного лазерного пучка. Хотя характер генерации электронно-дырочной плазмы по толщине материала микросхемы при воздействии лазерного импульсного луча отличается от генерации в ионном треке, этот метод находит применение в имитационных экспериментах.

Исследование электроразрядных процессов в диэлектриках, находящихся в радиационно-заряженном состоянии, были начаты в лаборатории космического материаловедения в 1963г. Интерес к этому явлению в космическом материаловедении сильно возрос еще в 1962г.

после образования мощного искусственного радиационного пояса Земли в результате проведения США в южной части Тихого океана, на высоте около 400 км термоядерного взрыва. Под действием электронов искусственного радиационного пояса Земли ряд ИСЗ США уменьшили свой ресурс.

Стало ясно, что диэлектрические элементы бортового оборудования, микросхемы и ИСЗ в целом могут быть также подвержены сильной радиационной электризации в зоне такого образования, поскольку интенсивность и средняя энергия электронных потоков в них заметно больше, чем в естественном радиационном поясе Земли. С.Н.

Вернов проявлял исключительный интерес к физике формирования искусственного радиационного пояса Земли и воздействия его излучений на аппаратуру ИСЗ. Ответы на эти вопросы были отражены в научных программах и экспериментах, проводимых в НИИЯФ МГУ, МИЭМ и других организациях.

С проблемой значительного влияния радиационной электризации от электронов радиационного пояса Земли на работоспособность геостационарных и высокоэллиптических советских ИСЗ типа «Горизонт», «Радуга» и «Молния» пришлось столкнуться в конце 70-х годов, хотя в США интерес к этому явлению возник на несколько лет раньше.

С.Н.Вернов, понимая значимость этой задачи, активно подключился к ее решению. Секция №2 Межведомственного координационного научно-технического совета (МКНТС) под руководством С.Н. Вернова подготовила общесоюзную научно-техническую программу по разработке методов борьбы с радиационной электризацией ИСЗ.

Согласно решению Совета Министров СССР НИИЯФ МГУ стал головной организацией по этой проблеме. Ключевая тема программы – создание физико-математической (исполнители: Милеев В.Н., Новиков Л.С.– НИИЯФ МГУ) и электротехнической (исполнители: Пожидаев Е.Д., Саенко В.С.

–МИЭМ) моделей радиационной электризации геостационарных ИСЗ и получение экспериментальных данных по физике электроразрядных процессов в диэлектриках, используемых в аппаратуре ИСЗ.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   …   | 20 | Книги по всем темам

Источник: http://knigi.dissers.ru/books/1/4863-1.php

Biz-books
Добавить комментарий