Космический вакуум и материалы космических аппаратов

От длительного пребывания в космическом вакууме также заметно меняются механические (объемные и поверхностные), оптические и другие характеристики материалов космических аппаратов. При предельно низких давлениях в космическом вакууме наружные и внутренние поверхности раздела в материалах могут нарушаться, в результате возникают либо микроскопические поверхностные трещины, либо внутренняя (так называемая интеркристаллитная) коррозия.

Надо сказать, что объемно-механические свойства материалов (усталостная прочность и т. д.) претерпевают изменения и вследствие изменений свойств поверхностных слоев. Причем ощутимое воздействие космического вакуума на механические свойства материалов космических аппаратов возникают в результате отсутствия окисных и других поверхностных защитных пленок.

Вследствие исчезновения защитных газовых и окисных пленок, а также в результате сублимации поверхностных слоев на толщину, близкую к длинам волн электромагнитного излучения, равным 300 — 1000 нм, меняется шероховатость поверхностей и как следствие их оптические характеристики (в частности, степень поглощения солнечного излучения и степень черноты). Причем органические краски подвержены таким изменениям в большей степени, чем неорганические.

Об ухудшении этих оптических свойств материалов свидетельствуют и многочисленные эксперименты, проводимые как в космосе, так и в земных лабораториях. Например, лабораторные исследования указывают, что при действии ультрафиолетового излучения с длиной волны около 220 нм на некоторые терморегулирующие покрытия при давлении порядка 10^-6 Па белые покрытия уменьшают свою отражательную способность.

Кроме того, при движении космического аппарата в солнечном ветре или водородной короне Земли водородные ионы способны проникать в поверхностные слои материалов. В результате последние обогащаются водородом (при насыщении до 10%), что также вызывает изменение оптических характеристик материалов.

При орбитальном движении в достаточно плотных слоях верхней атмосферы Земли, а также под действием бомбардировки заряженными частицами космической радиации может происходить сильное плазмохимическое разрыхление материала поверхностей космических аппаратов и его распыление в окружающее пространство. Этот процесс особенно проявляется для передних (по ходу движения) частей космических аппаратов. Правда, слой распыленного материала обычно мал и не превышает в толщине 5 — 40 нм в год.

Воздействие космического вакуума на материалы, естественно, учитывается при выборе материалов для космических аппаратов. В общем случае при конструировании космических аппаратов, их систем и приборов используются материалы достаточно легкие, прочные, радиационно стойкие и имеющие низкое газовыделение. Кроме того, к материалам для пилотируемых космических аппаратов предъявляются дополнительные требования по невозгораемости и нетоксичности. Для материалов некоторых космических аппаратов требуется также коррозионная стойкость и отсутствие магнитных свойств.

Наиболее часто в качестве материалов для космических аппаратов, их узлов и блоков используются алюминиевые и в меньшей степени титановые сплавы. Магниевые сплавы, хотя и более легкие, чем алюминиевые, однако менее предпочтительны, так как обладают меньшей коррозионной стойкостью. Эти и некоторые другие недостатки магниевых сплавов не исключают полностью их использование для космических нужд.

Сталь, хотя она и в три раза более тяжелая, чем алюминиевые сплавы, тем не менее может быть сравнима с ними по удельным прочностным характеристикам. Обычно используются нержавеющие стали (хромоникелевые), причем предпочтение отдается немагнитным аустенитным формам. Углеродистая сталь, пассивированная кадмиевым покрытием, менее предпочтительна, поскольку в космическом вакууме наблюдается рост «усов» из кадмия, фрагменты которых, перемещающиеся в невесомости, могут попасть на электрические цепи и вызывать их замыкание.

Широко используется в конструкциях космических аппаратов сотовая панель в виде сэндвича. Она образуется двумя тонкими листами алюминиевого сплава («кожа»), между которыми помещены гексагональные ячейки (соты), изготовленные из фольги, а также алюминиевого сплава. Сотовые ячейки склеиваются между собой, и приклеиваются к «коже» синтетической смолой. Стенки ячеек перфорированы, для того чтобы дать выход газам изнутри панели. Однако такой конструктивный элемент, несмотря на его легкость и сравнительную прочность, является источником большего газовыделения, чем обычный плоский металлический лист.

Широко также используются неметаллические композиционные материалы, такие, например, как угольный стекловолоконный слоистый пластик. Скорости газовыделения у таких материалов примерно такие же, как у любых других материалов, содержащих около 50% эпоксидной смолы. Для таких материалов весьма нежелательно их насыщение влагой, однако этого можно избежать, если хранить изделия в сухом газе (например, азоте).

Наконец, в конструкциях космических аппаратов широко используются разнообразные полимерные пластики, в том числе алюминированные пластиковые (майларовые) фольги, краски на полимерной основе, эластомерные уплотнения из фторуглеродной резины типа «Витон» и т. д. Среди других неметаллических материалов используют, например, керамические теплоизолирующие облицовочные плитки (для уменьшения нагрева космического аппарата при входе в плотные слои атмосферы), стеклянные керамики и т. п.

Встречающимся в космических аппаратах разнообразным механизмам (приводам солнечных панелей, антенн, инструментальных штанг и др.) приходится работать в космическом вакууме. Поскольку обычные масла я смазки здесь не пригодны, то за последние годы были разработаны специальные твердые смазки на основе дисульфида молибдена и олеофильного углерода, а также применен для этой цели ионно-напыленный свинец.

Кроме того, были разработаны собственно подшипниковые композитные материалы на основе сложных стекловолоконных политетрафторэтиленов, угольных слоистого стекловолоконного полиацетата и полиамида. Шарикоподшипники с твердыми смазками, например, свыше 7 лет непрерывно проработали в лабораторных вакуумных установках, а также успешно эксплуатировались в космическом вакууме.