Лабораторное моделирование космического вакуума

Ранее неоднократно отмечалось, что часто оценить воздействие космического вакуума на материалы космических аппаратов удается только при моделировании космического вакуума в земных лабораториях. Следует отметить, что моделирование отличается от имитации, когда тождественно воспроизводятся космические условия. В случае лабораторного физического моделирования условия могут существенно отличаться от действительных, смещаясь в сторону менее жестких ограничений на параметры среды (например, с использованием более высоких давлений в вакуумных установках, чем в космическом вакууме).

Главная цель такого моделирования — определить реакцию исследуемой космической системы на воздействия условий космического пространства. При лабораторном (физическом) моделировании параметры вакуумной установки варьируются экспериментатором по желанию, в то время как при имитационных, так и в космических экспериментах эти параметры предопределены и жестко фиксированы. Тем не менее закономерности, выявленные в результате лабораторного моделирования, позволяют ориентировочно прогнозировать поведение исследуемой системы в самых разнообразных условиях космического полета.

Воздействие космического вакуума на материалы и элементы конструкций космического аппарата можно условно разделить на следующие виды: механические, теплофизические,

электрофизические и воздействия на межмолекулярном уровне. Последние три вида воз действий обязательно требуют использования вакуумных условий при моделировании. При этом если для объемных теплофизических и электрофизических воздействий важным параметром является концентрация частиц в объеме, то для поверхностных воздействий на межмолекулярном уровне -поток частиц, падающий на поверхность (или исходящий от нее).

Многообразие физических условий в космосе, а также изучаемых процессов требует дифференцированного подхода при выборе различных условий и параметров лабораторного моделирования: параметров вакуумных установок (давления, производительности систем откачки и т. д.); типов и систем откачки (внешней системы, внутренней, «масляной», «безмасляной» и т. д.); способов моделирования (вакуумного или комплексного); конструкции установок и т. д.

Конечно, в земной лаборатории нельзя воспроизвести все многообразие условий космической среды, в частности, такие ее характеристики, как низкая концентрация частиц газа (менее 2,7-10²⁵ м^-3); широкий интервал скоростей воздействующих частиц (10² — 10⁶ м/с); низкий коэффициент возврата (10^-4 — 10^-6); неограниченная «поглощаемость» вещества космическим пространством; существование самого разнообразного комплекса излучений (в том числе и корпускулярных).

Однако, как оказалось, для всех без исключения процессов и явлений, характерных для космического вакуума, существует свой определенный граничный интервал значений давления среды. Это обстоятельство позволяет использовать в качестве основных критериев моделирования ограниченные интервалы давлений. В табл. 3. приведены некоторые типы моделирования воздействий космического вакуума с характерной областью давлений для каждого из этих типов моделирования.

Обычно при конкретном типе моделирования одно из этих ограничений на давление рассматривают как общее условие, а остальные ограничения, а также некоторые дополнительные факторы (низкий коэффициент возврата, большая скорость откачки, превышение средней длины свободного пробега молекул над характерным размером вакуумной камеры) — как вспомогательные условия. Поскольку для изучения механических воздействий космического вакуума общим условием является перепад давления на величину порядка 10⁵ Па, то в этом случае вообще не обязательно проводить испытания в вакуумной камере (достаточно, чтобы соблюдался заданный перепад давления).

При моделировании воздействий космического вакуума может исследоваться какой-либо конкретный процесс (явление) или ряд частных процессов, когда проводятся комплексные вакуумно-температурные испытания отдельных узлов космического аппарата или его в целом. И в том и в другом случае моделирование воздействий космического вакуума основано на некотором минимально возможном рабочем давлении для исследуемых процессов. Эти ограничения на рабочее давление, собственно, и являются основными критериями моделирования, которые в первом случае называются частными, а во втором главным критерием (т. е. при комплексных испытаниях).

Кроме того, при моделировании воздействий космического вакуума, помимо частного или главного критерия, касающегося значения рабочего давления, требуется соблюдать и другие специфические условия (коэффициент возврата и т. д.). Особое внимание необходимо обращать на недопустимость загрязнения газового состава в вакуумной камере парами рабочих жидкостей (например, насосов) и органическими продуктами, которых нет в космическом вакууме.

Следует отметить, что частный критерий моделирования не всегда определяется ограничениями на рабочее давление, указанными в табл. 3. Если в качестве главного критерия обычно достаточно использовать рабочее давление в камере порядка 10^-6 — 10^-7 Па, то при исследовании того или иного частного процесса порою принципиально важным является изучение этого процесса при переменном давлении. В такой ситуации частным критерием будет наинизшее из этого интервала давлений, и оно, естественно, не всегда совпадает с пороговым значением давления, указанным в табл. 3.

Таблица 3

Ограничение на рабочее давление при моделировании различных физических явлений в космическом вакууме

Физическое моделирование	Давление, Па
Уменьшение механической прочности герметических корпусов космического аппарата при воздействии характерного перепада давлений	~103
Исключение воздушного демпфирования при вибрациях	< 0,1
Теплопередача излучением	< 10-2
Диэлектрические силы и разряды	< 10-3
Изучение конструктивной прочности, ползучести, внутреннего демпфирования и других свойств материалов (в зависимости от давления насыщенных паров у исследуемых материалов)	< 10-4
Изучение работы ионных и плазменных двигателей	<10-5
Холодная сварка	<10-5
Изучение адсорбции, химического взаимодействия остаточного газа с материалом поверхности, «сухого» трения	<10-5 — 10-12

Дело в том, что некоторые типы воздействия космического вакуума не всегда представляют собой стабилизированный процесс при более низких (или более высоких) давлениях, чем их пороговое значение (хотя многие из исследуемых параметров, как правило, в этом случае стабилизируются). Исследования в режиме переменного давления (их называют экспериментальными в отличие от аналитических — при соблюдении определенного давления) позволяют прогнозировать характер протекания процесса в космическом вакууме, в том числе и при других значениях исследуемых параметров, отличных от моделируемых.

Моделирование воздействий космического вакуума может проводиться с использованием и других вспомогательных режимов: переменности температурных условий и времени протекания исследуемого процесса. Надо сказать, что характерные времена ряда процессов (массопотерь, фрикционных и др.) в космическом вакууме порою весьма значительны (несколько месяцев или лет). Поэтому часто бывает желательным ускорить тот или иной процесс при его лабораторном моделировании.

Ускорение моделируемого процесса может достигаться за счет повышения температуры (но в пределах теплостабильности материалов), давления и потока газов. Однако следует сказать, что во многом рассматриваемые здесь вопросы моделирования космического вакуума носят лишь предварительный характер и требуют еще своей проработки. В частности, это касается и проблемы ускорения моделируемых процессов. Пока здесь намечены только некоторые подходы к ее решению.

Общим требованием к методам ускорения моделируемого процесса является стационарность его протекания, поскольку только в этом случае можно экстраполировать закономерности, выявленные при моделировании, на реальный процесс, протекающий в условиях космического вакуума. В частности, согласно этому требованию минимальная продолжительность вакуумных испытаний должна несколько превышать время становления (релаксации) исследуемого процесса (или явления).

К сожалению, определение времени релаксации какого-либо частного процесса затруднено рядом причин. Релаксация процесса может быть связана не только с непосредственными условиями космического вакуума, но и определяться локальными условиями, существующими в достаточно «загазованных» полугерметических объектах (например, в рабочих зонах шарикоподшипников). Кроме того, требуется дифференцированный подход при рассмотрении каждого процесса в отдельности, в частности, при моделировании массопотерь необходимо раздельно рассматривать процессы десорбции, испарения, сублимации, диффузии и т. д.

В заключение познакомимся с некоторыми типами вакуумных установок, использующихся при моделировании воздействий космического вакуума. Основными элементами всех этих установок являются вакуумные и криогенные системы, а также имитаторы электромагнитных излучений Солнца, Земли и других источников. Как уже указывалось, исследованиям и испытаниям в установках, моделирующих некоторые воздействия космического вакуума, могут подвергаться не только отдельные материалы, узлы и элементы космических аппаратов, но и сами эти аппараты целиком.

Начнем рассмотрение с установок тепловакуумных испытаний (рис. 10, а), предназначенных, собственно говоря, для исследования лишь одного параметра — температуры. На основании результатов таких испытаний методами математического моделирования проводятся затем расчеты температур, свойственных различным частям космического аппарата при его разных положениях на орбите (при прохождении через тень Земли, при разных ориентациях относительно Солнца, Земли и т. д.).

В ходе этих испытаний, проводимых последовательно сначала на прототипах, а затем на летных вариантах космического аппарата с полным функционированием всех его систем, тепловая модель космического аппарата доводится до приемлемых температур изделий (обычно в пределах 283 -300 К). Рабочее давление в установках для тепловакуумных испытаний порядка 10^-3 — 10^-4 Па.

Более низкое рабочее давление свойственно установкам вакуумно-температурных испытаний (рис. 10, б), когда исследуется функционирование космических аппаратов в, экстремальных температурных режимах (обычно в интервале 200 — 360 К) и при достаточно низких давлениях (менее 10^-6 Па). Как показывает опыт, склонные к отказам элементы космического аппарата с большой вероятностью обнаруживаются в ходе таких испытаний.

Оба рассмотренных типа установок обычно являются достаточно крупногабаритными (объемом порядка 10³ — 10⁵ м³), чтобы в них смогла свободно разместиться основная часть космического аппарата (или он целиком). Недавно появилась возможность сочетать оба типа испытаний в одной и той же установке. В частности, подобная большая моделирующая установка используется в Тулузе (Франция) Европейским космическим агентством.

Помимо установок тепловакуумных и вакуумно-температурных испытаний космических аппаратов существует множество установок специального назначения, в которых исследуются бортовые научные приборы, скафандры и другое снаряжение космонавтов, новые типы космических двигателей, а кроме того, моделируются различные воздействия космического вакуума на системы, элементы и материалы космических аппаратов. К такого рода установкам можно отнести и установки, где хранятся или исследуются образцы лунного грунта.

Как правило, в этих установках специального назначения, помимо космического вакуума, моделируются по крайней мере еще два каких-либо фактора космической среды (радиационное облучение, температурный режим и т. д.). Следует отметить, что установки подобного типа по своим размерам уступают тепловакуумным и вакуумно-температурным и не превышают в объеме 1 — 10 м³.