CC BY
63
УДК629.78.018.3:533.6:621.396.67
А. Б. Надирадзе, В. В. Шапошников, В. А. Смирнов, И. А. Максимов, С. Г. Кочура
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭРОЗИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СТРУЙ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА РАДИООТРАЖАЮЩЕЕ СЕТЕПОЛОТНО КРУПНОГАБАРИТНЫХ АНТЕНН КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рассмотрены вопросы эрозионного воздействия струй стационарных плазменных двигателей (СПД) на радиоотражающее сетеполотно крупногабаритных антенн (КГА) космических аппаратов (КА). Предложен подход теоретической оценки ресурса радиоотражающего сетеполотно КГА на базе параметра «относительной глубины эрозии покрытия». Описаны эксперименты по определению коэффициента распыления золотого покрытия радиоотражающего сетеполотно КГА и деградации коэффициента отражения в зависимости от величины относительной глубины эрозии покрытия.
Ключевые слова: стационарный плазменный двигатель, антенна, сетеполотно, эрозия.
Необходимость выполнения ряда специфических задач по целевому назначению спутников обуславливает введение в их состав крупногабаритных антенных систем. В России в настоящее время разрабатываются спутники с диаметром рефлекторов антенн, превышающим 20 м. Радиоотражающие поверхности таких рефлекторов формируются сетеполотном, которое представляет собой крупноячеистую сетку, сплетенную из металлических нитей с диаметром порядка 10-20 мкм, на которые нанесено покрытие.
Известно, что при попадании в струи СПД элементов крупногабаритных трансформируемых конструкций спутника, к которым помимо элементов конструкции крупногабаритных антенных систем относятся также элементы конструкции панелей батарей солнечных (БС) и другие элементы конструкции спутника, происходит распыление их поверхностей. Величины эрозии при этом могут достигать нескольких микрон. В большинстве случаев эрозионное воздействие не оказывает дестабилизирующего воздействия на функционирование подсистем спутника, в которые входят распыляемые поверхности. Но так как толщина покрытия радиоотражающего сете-полотна КГА, определяющего коэффициент отражения радиоотражающей поверхности, составляет десятые доли микрона, эрозионное воздействие струй СПД может существенно снизить эффективность КГА.
Практика показывает, что полное исключение попадания струй СПД на радиоотражающее сетеполотно рефлекторов КГА посредством взаимного расположения антенн и двигателей весьма затруднительно, поэтому актуальной проблемой проектирования спутников с КГА является адекватная оценка и учет при проектировании КГА и спутника эрозионного воздействия струй СПД на радиоотражающее сетеполотно рефлекторов КГА. При этом необходимо решить следующие задачи:
- создать математическую модель воздействия струи СПД на радиоотражающее сетеполотно, позволяющую корректно оценивать величины эрозии и деградации коэффициента отражения;
- экспериментально определить коэффициент распыления покрытия радиоотражающего сетеполотна, который необходим для оценки величин эрозии;
- экспериментально определить зависимости деградации коэффициента отражения радиоотражающего се-
теполотна от величин эрозии, являющиеся критерием снижения эффективности КГА вследствие эрозионного воздействия струй СПД.
Характерные особенности сетеполотна - его оптическая прозрачность и малая толщина покрытия, определяющая коэффициент отражения - обусловливают необходимость применения новых расчетных и экспериментальных методов, отличных от тех, которые применялись при исследованиях и оценке эрозионного воздействия струи СПД на панели БС и другие элементы конструкции спутника.
В частности, при создании математической модели воздействия струи СПД на радиоотражающее сетеполотно необходимо учитывать следующие особенности.
Известно, что скорость распыления в различных точках распыляемой поверхности зависит от угла падения ионов к плоскости поверхности. Скорость распыления нитей сетеполотна зависит также угла падения ионов на конкретную нить сетеполотна. При этом боковые поверхности нитей (по отношению к потоку ионов) могут распыляться быстрее центральных, что связано с особенностями угловой зависимости коэффициента распыления от угла падения. Ввиду того, что при нитях диаметром 10-20 мкм эффекты затенения (например, в местах сплетения) не сказываются, то для оценки эрозионного воздействия струй СПД на радиоотражающее сетеполотно рефлекторов КГА глубину эрозии следует определять в точке максимальной скорости распыления. Для определения этой точки при расчетах на радиоотражающей поверхности рефлектора КГА задаются контрольные сферы.
В качестве примера, на рис. 1 представлено распределение скорости распыления радиоотражающей поверхности рефлектора КГА условного КА, определенной с использованием сферических примитивов (контрольных сфер).
На рис. 2 изображено распыление контрольных сфер № 1,2. Точки максимальной эрозии сфер не совпадает с полюсами сфер, обращенных к источнику плазменной струи, а расположены на боковых поверхностях сфер. Таким образом, геометрия сфер позволяет определить максимальное значение эрозии вне зависимости от угла падения струи на радиоотражающую поверхность рефлектора КГА.
При воздействии потока струи СПД на сетеполотно происходит его частичное распыление. Максимальная степень повреждения радиоотражающего покрытия не
может превышать 50 %, поскольку обратная сторона нитей распыляться не будет В связи с этим, степень повреждения покрытия 0 следует рассматривать в виде функции относительной глубины эрозии покрытия Я , равной отношению гл убины эрозии покрытия в точке макс имальной скорости распыления 9> к толщине покрытия И :
&
Я = -*Г, (!)
И
где И - толщина покрытия; &тах - глубина эрозии покрытия в точке максимальной скорости распыления.
при контролируемых параметрах плазмы и определение на электронном микроскопе глубины эрозии покрытия.
Схема эксперимента по определению коэффициентов распыления покрытия сетеполотна приведена на рис. 3. В вакуумную камеру (1) установлен электрора-кетный двигатель (2) типа СП Д-50, формирующий плазменную струю. Контроль параметров струи осуществляется плоскими зондами Ленгмюра (3), ориентированными в направлении ионного потока. Образцы сетеполотна (4) размером 15x15 см располагаются вдоль оси плазменной струи на различном расстоянии от двигателя.
Рис. 3. Схема эксперимента по определению коэффициентов распыления покрытия сетеполотна
Рис. 1. Общий вид условного КА и положение контрольных сфер на радиоотражающей поверхности рефлектора К ГА
а
б
Рис. 2. Распыление контрольных сфер: а - № 1; б - № 2
Учитывая малую толщину покрытия, наиболее надежным методом определения его коэффициента распыления является прямое микроскопическое измерение глубины эрозии при различных значениях ионного флюен-са. Общей идеей такого эксперимента является облучение образцов сетеполотна в течение заданного времени
По этой схеме исследовались образцы сетеполотна с двухслойным покрытием (химический никель и химическое золото) двух типов плетения.
Продолжительность экспозиции образцов выбиралась исходя из оценок скорости распыления покрытия. Скорость распыления оценивалась для параме тров плазменной струи в местах размещения образцов: плотность ионного тока /, составляла примерно 50 мкА/см2, энергия ионов Е составляла 120-180 эВ. Коэффициент распыления .V принимался равным для монолитного золота. При энергиях ионов 120-180 эВ коэффициент распыления при падении ионов по нормали к поверхности составляет 0,6-0,8 [ 1].
По результатам оценок были выбраны следующие значения экспозиций образцов: 15, 30, 60 и 120 мин. При этом учитывалось, что структура злотого покрытия может быть неоднородной и содержать большое количество дефектов, поэтому коэффициент распы ления покрытия будет, вероятно, больше, чем коэффициент распыления монолитного золота, а время распыления покрытия -меньше.
Определение глубины эрозии покрытия производилось с использованием сканирующего электронного
микроскопа РЭМ-106И. Фактическая степень разрушения покрытия определялась по результатам рентгеновского микроэлементного анализа поверхности нитей.
На рис. 4 приведена фотография нити сете полотна, сделанная на микроскопе, до воздействия плазменной струи. В центре фотографии - нить сетеполотна с нанесенным на нее золотом. При этом хорошо видна гранулярная структура золотого покрытия, характерная для химических покрытий. Результаты рентгеновского микроанализа показывают, что поверхностные слои покрытия в основном - золото. Наличие в спектре никеля и вольфрама свидетельствует о пористости покрытия, благодаря которой рентгеновское излучение проникает в никелевый подслой и вольфрамовую основу. На заднем плане фотографии видно отслоение пленки от поверхности вольфрамовой нити.
20мкт Электронное изображение 1
Рис. 4. Фотография нити сетеполотна до воздействия щгазменной струи
Рентгеновский микроэлементный анализ поверхностей нитей двух образцов сетеполотна, подвергавшихся воздействию плазменной струи в течение 15 мин, показал, что содержание золота в поверхностных слоях нитей составляет 59,7 и 31,2 %. На фотографии нити сетеполотна одного из этих образцов (рис. 5) видно, что при распылении начинает явно проявляться зернистая структура покрытия.
I имкгп 1 Электронное изображение 1
Рис. 5. Фотография нити сетеполотна после воздействия на него плазменной струи в течение 15 мин
При экспозиции образцов в течение 35 мин происходит полное распыление золотого покрытия и частично распыляется никелевое. При экспозиции образцов в течение 60 мин следы золота в спектрах полностью отсутствуют. Небольшое количество никеля говорит о продолжающемся процессе распыления никелевого покрытия. При экспозиции образцов в течение 120 мин следы золота и никеля в спектрах полностью отсутствуют, что говорит о завершении процесса распыления обоих слоев покрытия.
Заметного влияния типа плетения на распыление покрытия не обнаружено, что связано, по-видимому, с незначительным взаимным затенением нитей сетки.
Следуя логике эксперимента, коэффициент распыления покрытия вычисляется по минимальному времени экспозиции, при которой распыление золотого покрытия является неполным. В данном эксперименте это время составило 15 мин. Соответствующее значение коэффициента распыления золотого покрытия составило при этом ~3 атом/ион при энергии 120-180 эВ.
Как и предполагалось, значение .V превышает коэффициент распыления монолитного золота, что объясняется неоднородной структурой покрытия, содержащей большое количество дефектов. Данное значение следует рассматривать как оценку сверху, определяющую минимальное время распыления в точке максимальной эрозии, и использовать достаточно аккуратно, не распространяя на другие аналогичные покрытия.
Энергетическая зависимость коэффициента распыления может быть взята по чистому, монолитному золоту. Угловая зависимость - по любому металлу, например, алюминию. Эта зависимость не имеет принципиального значения для оценок, поскольку прогноз относительной глубины эрозии в соответствии с предложенным выше подходом должен проводиться в точке максимальной эрозии.
Коэффициент отражения радиоотражающего сетеполотна зависит от толщины покрытия, материала покрытия и длины волны. Чем больше сопротивление покрытия, тем больше поглощение мощности в покрытии и, следовательно, меньше коэффициент отражения. В предельном случае, когда все золотое покрытие распылено, коэффициент отражения будет иметь минимальное значение (если толщина нитей плетения изменяется незначительно).
Исследование влияния деградации коэффициента отражения радиоотражающего сетеполотна от величин эрозии было проведено для двух предельных случаев: исходное покрытие и полностью распыленное покрытие.
Более точную аппроксимацию можно получить, если покрытие будет распылено не полностью. Однако решение этой задачи является достаточно сложным, поскольку в условиях эксперимента распыление происходит в течение короткого отрезка времени (15-20 мин), а степень повреждения покрытия является сложной функцией относительной глубины эрозии и может быть определена только косвенно, по результатам оценок.
Исследование производилось посредством сравнения спектров отражения исходных и облученных образцов сетеполотна в диапазоне от 3 до 20 ГГц. Для измерения
коэффициента отражения использовался хорошо известный волноводный метод [2].
Схема измерений приведена на рис. 6. Исследуемый образец зажимался между губками коаксиально-волно-вых переходов (КВП) и проводились измерения сигналы отраженных и прошедших через образец электромагнитных волн. Измерения отраженного и прошедшего сигнала производились с помощью анализатора спектра РЫАЕ83628. Для каждого частотного поддиапазона использовался свой набор КВП.
Анализ полученных данных показывает, что только при приближении к максимальной степени повреждения покрытия (9 « 40 % ) начинается заметная деградация коэффициента отражения покрытия. В худшем случае коэффициент отражения падает с 0,95 до 0,6 (на 37 %).
Заметного влияния типа плетения на коэффициент отражения не обнаружено.
Учитывая значительную неопределенность в исходных данных и большие вариации измеренных значений коэффициента отражения, для оценки воздействия эрозии на свойства отражающего покрытия предлагается использовать следующую упрощенную формулу:
М(/Д) = МИ
{ ]Л( \Л У
1-ехр
(^~1)
Х„2
(2)
у у
где Д/?шах - максимальная деградация коэффициента отражения, = 40 %: /.„ - относительная глубина эрозии покрытия, при которой деградация коэффициента отражения во всем диапазоне частот незначительна, /_0 и 2; /0 - частота, при которой наблюдается максимальная деградация коэффициента отражения, /0 =20 ГТц.
В заключение можно констатировать следующее:
1. Вследствие того, что толщина покрытия радиоотражающего сетеполотна, определяющего коэффициент отражения поверхности, составляет десятые доли микрона, а эрозионное воздействие струй СПД может существенно снизить эффективность КГА. Поэтому при проектировании КГА необходима адекватная оценка и учет эрозионного воздействия струй СПД на радиоотражающее сетеполотно рефлекторов КГА.
2. При оценке эрозионного воздействия струй СПД на радиоотражающее сетеполотно следует рассматривать максимальные значения эрозии. Это обусловлено тем, что боковые поверхности нитей (по отношению к потоку ионов) могут распыляться быстрее центральных, что связано с особенностями угловой зависимости коэффициента распыления от угла падения.
3. При математическом моделировании воздействия струй СПД на радиоотражающее сетеполотно необходимо использовать сферические примитивы, которые позволяют определить максимальное значение эрозии вне зависимости от угла падения струи на радиоотражающую поверхность рефлектора КГА.
4. Рассмотрение степени повреждения покрытия радиоотражающего сетеполотна 9 в виде функции относительной глубины эрозии покрытия X, равной отношению величины эрозии покрытия к толщине покрытия /г в точке максимальной скорости распыления, позволяет корректно оценить ресурс сетеполотна в условиях воздействия на него СПД.
5. Коэффициент распыления золотого покрытия радиоотражающего сетеполотна, определенный методом
Рис. 6. Схема измерения коэффициента отражения радиоотражающего покрытия
прямого микроскопического измерения глубины эрозии при различных значениях ионного флюенса значительно превышает коэффициент распыления монолитного золота, что объясняется неоднородной структурой покрытия, содержащей большое количество дефектов.
6. Заметная деградация коэффициента отражения покрытия радиоотражающего сетеполотна наблюдается при приближении к максимальной степени повреждения этого покрытия (0 и 50 %). В худшем случае коэффициент отражения падает с 0,95 до 0,6 (на 37 %).
А. В. Nadiradze, V V Shapospnikov, V A. Smirnov, I. A. Maximov, S. G. Kochura
ГП1 RESEARCH OF THE EROSIVE IMPACT BY THE STATIONARY PLASMA ENGINE JETS ON THE RADIO-REFLECTIVE NET OF THE SPACE CRAFT LARGE-SIZED ANTENNAS
The erosive aspect of the stationary plasma thrusters (SPT) jets on the radio-reflective net of the space craft largesized antennas is reviewed in the report. The approach of the theoretical estimation of the large-sized antenna radio-reflective net resource on the base of «relative value of the covering erosion» parameter is proposed in the report. The experiments on the definition of the dispersion coefficient of the gold coating of the large-sized antennas radio-reflective net and reflectance degradation depending on the size of the covering erosion are described in this report.
Keywords: stationary plasma thrusters, antenna, radio-reflective net, erosion.
Библиографический список
1. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: физическое распыление одноэлементных твердых тел : пер. с англ. / под ред. Р. Бериша. М.: Мир, 1984. 336 с.
2. Косцов, А. М. / А. М. Косцов //Изв. РАН. Сер. физ. 2000. Т. 64. № 9. С. 1712-1713.
