CC BY
36
УДК 629.76.036.72: 539.216
А. Б. Надирадзе, В. В. Шапошников, В. А. Смирнов, И. А. Максимов, С. Г. Кочура
ВЫБОР КРИТЕРИЯ И УЧЕТ СОСТАВА ПЛЕНОК ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИ ОЦЕНКАХ СОВМЕСТНОГО ЗАГРЯЗНЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СОБСТВЕННОЙ ВНЕШНЕЙ АТМОСФЕРЫ И СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Рассмотрены критерии, используемые при оценках совместного загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы и плазмы, генерируемой стационарными плазменными двигателями. Обоснован переход от критерия «осажденной массы» к критерию «оптической деградации». Предложена интерполяционная модель, позволяющая оценить изменение оптических характеристик функциональных поверхностей космического аппарата. Рассмотрено влияние частиц металла, входящих в состав продуктов распыления, на оптические свойства покрытий.
При оценках загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы (СВА) и стационарных плазменных двигателей (СПД) возможно использование следующих критериев стойкости космического аппарата (КА) к воздействию следующих факторов: «интенсивности массо-выделения»; «осажденность массы»; «оптическая деградация».
Критерий «интенсивности массовыделения» - простейший критерий, который ограничивает допустимые значения интегральных параметров массовыделения конструкционных материалов. Принимается условие, что если эти параметры не превышают установленных пределов, то при любых возможных вариантах конструктивнокомпоновочной схемы (ККС) КА, температурных режимах эксплуатации используемых материалов и покрытий, максимальный негативный эффект от загрязнения продуктами массовыделения не превысит допустимого значения и не приведет к сбоям и отказам функционирования бортовой аппаратуры КА. Согласно ГОСТ Р 50109-92, ограничения вводятся на общую потерю массы (ОПМ) материала и содержание в нем летучих конденсирующихся веществ (ЛКВ), допустимые значения которых равны 1,0 и 0,1 % соответственно.
Данный критерий чрезвычайно прост в использовании и не требует проведения каких-либо сложных вычислений. В то же время его использование не позволяет учесть вклад конкретного материала в загрязнение того или иного элемента КА и тип источников массовыделе-ния. Кроме того, критерий «интенсивности массовыде-ления» не может быть применен при оценках загрязняющего воздействия СПД.
На следующем уровне сложности стоит критерий «осажденной массы», ограничивающий допустимое значение массы вещества шс, осажденного на поверхности КА. Для современных КА критическое значение осажденной массы ш* составляет 10-6.. ,10-5 г/см2. Основным допущением при использовании этого критерия является предположение о постоянстве среднего состава и структуры пленок загрязнения, образующихся на поверхностях КА. Откуда следует, что изменение оптических свойств пленок загрязнения является функцией от шс и не зависит от других факторов.
Неоспоримым преимуществом критерия «осажденной массы» является возможность дифференцировать различные источники массы по вкладу в загрязнение того
или иного элемента. Но для его реализации необходимо проведение расчетов величин шс всех элементов КА, критичных к загрязнению, что приводит к дополнительным затратам и требует использования специализированного программного обеспечения.
Рассмотренные выше критерии определяют стойкость КА к загрязняющему воздействию СВА и СПД по массе выделяемого или осажденного вещества. Но в действительности стойкость КА определяется изменением оптических характеристик функциональных поверхностей КА (для отражающих поверхностей - коэффициентом отражения; для терморегулирующих - коэффициентами поглощения и излучения; для защитных (прозрачных) - коэффициентом пропускания). Поэтому наиболее достоверные оценки стойкости КА к загрязняющему воздействию СВА и СПД могут быть получены только при непосредственном рассмотрении деградации указанных выше характеристик. Это означает, что для повышения достоверности необходимо переходить от простых критериев «интенсивности массовыделения» и «осажденной массы» к более сложному критерию «оптической деградации».
В этой связи следует заметить, что использование в составе КА электроракетных двигателей и, как следствие, появление в составе пленок загрязнения дополнительной компоненты - продуктов распыления элементов конструкции КА, может привести к весьма значительным изменениям оптических характеристик функциональных поверхностей КА. Это обусловлено тем, что распылению подвергаются самые различные материалы, включая металлы и их сплавы, существенно изменяющие состав пленок загрязнения.
Исследования, проведенные в ФГУП «НПО прикладной механики имени академика М. Ф. Решетнева», показывают, что компоненты СВА и продукты распыления вносят определяющий вклад в формирование пленок загрязнения функциональных поверхностей КА [1; 2]. В связи с этим выявление зависимости изменения оптических характеристик функциональных поверхностей КА от состава и параметров пленок загрязнения является необходимым условием повышения точности и достоверности оценок стойкости КА к совместному загрязняющему воздействию СВА и СПД.
Наиболее сложной проблемой при определении изменения оптических характеристик функциональных поверхностей КА вследствие их загрязнения является недо-
статок информации о свойствах пленок загрязнения. Для ее решения предлагается использовать интерполяционную модель [3].
Рассматривается оптическая система, состоящая из оптического покрытия (ТРП, оптика и т. п.) и осадка (пленки загрязнения) (рис. 1).
Рис. 1. Схема прохождения света через систему «покрытие-осадок»
В качестве параметров, характеризующих степень загрязнения покрытия, используются коэффициенты внутреннего пропускания солнечного () и теплового (ЇТ) излучения:
Г, = е-^ , (1)
Т = е-вт'а, (2)
где в,, вт - интегральные коэффициенты затухания излучения в пленке.
По мере увеличения толщины осадка d, характеристики системы постепенно изменяются от характеристик покрытия (/ = 1) к характеристикам осадка (/ = 0). Скорость изменения характеристик будет тем больше, чем больше поглощение света в пленке.
Изменение коэффициентов отражения Кх, пропускания Т, и поглощения А, солнечного излучения оптических покрытий может быть вычислено по следующим формулам:
К= К (0)(1 - ^2)+я, (%2 -
2ч, 2
Так свойства пленок, образованных различными источниками органического происхождения, приблизительно совпадают. Это подтверждает обоснованность критерия осажденной массы для оценки загрязнений, образованных продуктами собственного массовыделения конструкционных материалов. Вместе с тем, значительное отличие свойств пленок алюминия говорит о необходимости учета состава пленок загрязнений, образованных компонентами СВА и продуктами распыления.
Для учета многокомпонентности необходимо рассмотреть влияние толщины и свойств каждой компоненты на интегральные коэффициенты затухания в и поглощения А всей пленки.
Если пренебречь взаимодействием отдельных компонент, то коэффициент внутреннего пропускания многокомпонентной пленки загрязнения будет равен
к = А -¿2'К ^п , (8)
где А - коэффициент внутреннего пропускания г-ой компоненты, который вычисляется по ее весовой толщине й 1 = ш / р( (ш1. - удельная масса, р( - удельный вес компоненты).
Если принять, что коэффициент внутреннего пропускания многокомпонентной пленки описывается выражением
= е~в^ ^, (9)
то для коэффициента затухания можно получить следующее соотношение:
I й в=2 шв
Рх =
(10)
р'
(3)
Аналогичный подход можно применить к определению коэффициентов поглощения А. Поскольку эти коэффициенты отражают поверхностные свойства покрытия, то коэффициент поглощения многокомпонентной пленки можно представить в виде
Ах = Д ■ 0^ + А2 ■ 02 +К + Ап -0И, (11)
где 0( - степень заполнения поверхности г-ой компонентой пленки загрязнения.
Поскольку 0( = й / , то для Ае получаем следую-
щее соотношение:
ш
т; = (1 - я,(0)(1 - г,2))гв-тв(1), (4)
а; = (1 - я,(0) (1 - г,2 ))(1 - я,(1) ■ г,2), (5)
я; +т;+а', = 1, (6)
еТ = 4% + 40) (1 - гт), (7)
где А,0\ А0 - коэффициенты поглощения солнечного и
теплового излучения в пленке; Т(0) = 0 (для осадка бесконечной толщины); Л_(0) = 1-А(0>; Я<т0) = 1 - А(0); е(0) = АТ0 (согласно закону Кирхгофа).
Таким образом, для определения свойств загрязненного покрытия в видимом и инфракрасном диапазоне достаточно знать всего четыре параметра - А(0), А(0) и в,, вт .
Результаты оценки параметров модели для пленок, образованных различными источниками, представлены в таблице [3].
^ Т-і-А
Еа,-А, Ер, '
уп.
р,
(12)
Таким образом, соотношения (10), (12) позволяют оценить оптические характеристики многокомпонентных пленок загрязнения на основании информации о весовой толщине каждой компоненты и ее оптических характеристиках.
При совместном загрязняющем воздействии СВА и СПД пленки загрязнения можно считать двухкомпонентными, состоящими из продуктов собственного массо-выделения конструкционных материалов внешних поверхностей КА и продуктов распыления, образующихся под воздействием плазменной струи СПД.
В качестве параметров модели для первой компоненты могут быть приняты усредненные значения, приведенные в таблице:
40 = 0,87; ,1 = 3 • 103 см-1;
4д =0,89;
Рг д = 2 • 103см-1.
В качестве значений параметров второй компоненты, принимая, что продукты распыления - это металлы, могут быть приняты значения модели, полученные для пленок алюминия (таблица):
4°2 = 0,023;
Рх ,2 = 6,87-105см-1;
4°2 = 0,024;
Рг ,2 = 9,21106 см-1.
Полученные с использованием этих коэффициентов расчетные зависимости оптических свойств покрытия типа ОСО-С (OSR) от содержания металла в пленке загрязнения при фиксированном значении шс = 10-6г/см2п-редставлены на рис. 2, где заметное влияние на свойства покрытия начинается при содержании металла в пленке загрязнения около 5____10 %.
Согласно научно-техническому отчету [1], в состав пленок загрязнения, образованных продуктами распыления, могут входить углепластик, компоненты кварцевого стекла, экранно-вакуумной теплоизоляции, алюминиевый сплав. Таким образом, их оптические характеристики будут отличаться от характеристик пленок загрязнения, образованных чистым алюминием. Поэтому для повышения точности и достоверности оценок стойкости КА к загрязняющему воздействию СВА и СПД необходимо провести эксперименты по определению зависимости изменения оптических характеристик пленок загрязнения, образованных указанными веществами.
Рис. 2. Зависимость оптических свойств покрытия от содержания металла в пленке загрязнения
Итак, для достоверных оценок стойкости КА к совместному загрязняющему воздействию СВА и СПД наиболее оптимальным является критерий «оптической деградации», учитывающий изменение оптических характеристик функциональных поверхностей КА вследствие их загрязнения компонентами СВА и продуктами распыления.
Влияние частиц металла, входящих в состав продуктов распыления, на свойства покрытий начинает проявляться при содержании металла в пленке загрязнения около 5.. .10%.
Для уточнения характеристик многокомпонентных пленок необходимо проведение экспериментальных работ по определению зависимости изменения оптических характеристик пленок загрязнения от их состава.
Библиографический список
1. Обеспечение стойкости космического аппарата к воздействию собственной атмосферы и плазмы, генерируемой стационарными плазменными двигателями : науч.-техн. отчет. Железногорск : ФГУП «НПО прикладной механики имени академика М. Ф. Решетнева». 2007. Инв. № 1 3356 с.
2. Анализ уровней загрязнения функциональные поверхностей космического аппарата «Экспресс-АМ» при натурной эксплуатации : отчет о науч.-исслед. работе. М. : МАИ, 2007.
3. Надирадзе, А. Б. Определение изменения свойств оптических покрытий космических аппаратов в результате их загрязнения / А. Б. Надирадзе, Е. Б. Паршина // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2006. N° 10. С. 25-32.
4. Dever, J. A. Combined contamination and space environmental effects on solar cells and thermal control surfaces / J. A. Dever, E. J. Bruckner, D. A. Scheiman, C. R. Stidham // AIAA-94-2627.
5. Rantanen, R. O. Determination of Space Vehicle Contamination / R. O. Rantanen, L. E. Bareiss, E. B. Ress // Proc. of Centre Natianal D’Etudes Spatiales Symphosium on Evaluation of Space Environment on Materials, held at Toulouse. France. P. 211-232.
6. Hurley, C. J. D024 Thermal Control Coatings and Polymeric Films / C. J. Hurley, W. L. Lehn // First Inhterim Status Report. 1973. September.
7. Mauldin III, L. E. Optical degradation due to contamination on the SAGE/SAGEII spaceflight instruments / L. E. Mauldin III, W. P. Chu // SPIE. Vol. 338. P. 58-64.
8. Arrington, L. A. Pulsed Plasma Thruster Plume Stude: Symmetry and Impcat Spacecraft Surfaces / L. A. Arrington,
Свойства пленок, образуемых различными источниками загрязнений
Источник загрязнения 40) 40) ßs , см 1 ßr , см 1 Погрешность
Выхлопы двухкомпонентного двигателя [4] 0,87 0,89 СО 6 ,0 1,83 ■ 103 5.10 %
Skylab [5; 6] 0,96 - 2,85 ■ 103 - 20 %
SAGE/SAGEII [7] - - 1,4 102...3,8 ■ 103, - -
Струя импульсного плазменного двигателя (fluorocarbon) [8] 0,86 - 30 5 ,9 2 - 20 %
Алюминий [9; 10] 0,023 0,024 "о с-- ,8 6, 9,21 ■ 106 10 %
C. M. Marrese, J. J. Blandio // AIAA-2000-3262, NASA/TM-2000-210364. 2000. September.
9. Новицкий, Л. А. Оптические свойства материалов при низких температурах : справ. / Л. А. Новицкий, Б. А. Степанов. М. : Машиностроение, 1980.
10. Physics of thin films. Advanced in Research and Development / guest editor : M. H. Francombe and R. W. Hoffman. Vol. VI. Academic Press, 1971.
A. B. Nadiradze, V. V. Shapospnikov, V. A. Smirnov, I. A. Maximov, S. G. Kochura
CRITERION CHOICE AND TAKING INTO ACCOUNT THE CONTAMINATION FILMS COMPOSITION AT THE ESTIMATION OF THE JOINT CONTAMINATING INFLUENCE OF THE OWN EXTERNAL ATMOSPHERE AND STATIONARY PLASMA THRUSTERS
It is viewed the criteria, used at the estimation of the joint contaminating influence of the own external atmosphere and plasma, generating by stationary plasma thrusters. It is proved the transition from «deposited mass» criteria to the «optical degradation». It is proposed the interpolator^ model, which allows to estimate the change of the optical characteristics of the functional surfaces of the spacecraft. The influence of the metal particles, which are the part of the dispersion product on the optical characteristics of the covering, is viewed.
УДК 629.78.06-533.6:658.652
А. А. Логанов
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОФИЛЯ АКСИАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Предложена методика выбора наилучших конструктивных параметров и показателей эффективности компонентов системы терморегулирования малых космических аппаратов в условиях производственных и финансовых ограничений. На основании анализа статистического материала по профилям аксиальных тепловых труб предлагается методика определения геометрических параметров профиля эффективной тепловой трубы для любых условий эксплуатации.
В последние годы широкий диапазон практических задач возлагается на мини- и микроспутники. Малые массы таких аппаратов (50-300 кг) позволяют повысить эффективность решения данных задач за счет значительного удешевления доставки на рабочую орбиту. Обеспечение тепловых режимов модуля служебных систем и целевой аппаратуры таких спутников традиционно осуществляется с помощью тепловых труб (ТТ). Наибольшее распространение получили ТТ из алюминиевых профилей с аксиальными канавками (аксиальные ТТ). Следует отметить, что наличие достаточно эффективных конструкций ТТ является одним из немногих условий, возможность удовлетворения которых означает в принципе саму техническую возможность создания КА малого класса. Основным фактором, снижающим общую эффективность применения ТТ на мини- и особенно микроспутниках, является проблема весовой эффективности. Масса ТТ обусловлена конструктивными соображениями, т. е. их количество, форма и длина продиктованы системными требованиями по обеспечению теплового режима приборов КА. Это означает, что снижение их массы может быть осуществлено только за счет уменьшения площади поперечного сечения, что, в свою очередь, возможно только при условии применения максимально эффективных профилей ТТ.
В условиях, когда возможность унификации конструкции тепловых труб, устанавливаемых на разные мини- и
микроспутники, минимальна, наличие метода, обеспечивающего надежные экспресс-прогноз величины теплопередающей способности проектируемой ТТ, дает преимущество в массе КА разработчику, владеющему таким методом.
С целью исследования эффективности различных вариантов профилей ТТ были обработаны экспериментальные данные по 25-ти различным ТТ [1; 2]. Все варианты профилей можно разбить на две группы - с осевыми канавками сложной (трапециеидальной, бульбовидной) формы (рис. 1, 2) и прямоугольной формы (рис. 3).
Задача исследования - определить зависимость показателя эффективности ТТ с аксиальными канавками от геометрических параметров их профиля для заданных теплофизических характеристик применяемой в ТТ рабочей среды - аммиака. В качестве показателя эффективности использовалась теплотранспортная способность, которая оценивалась по величине 2Ь, где 2 - значение отводимой с помощью ТТ тепловой энергии, Ь - эффективная длина ТТ. При оценке эффективности ТТ рассматривается как абсолютная эффективность ТТ, так и относительная весовая эффективность.
Критерии качества профиля аксиальной ТТ. Для оценки эффективности ТТ исследованы две зависимости: зависимость <2Ь от площади канавок в поперечном сечении и условный скоростной критерий. Зависимость теп-
