Практическое применение космического вакуума

Большой научный и практический интерес представляет собой использование космического вакуума в различных процессах космической технологии, а также при проведении разнообразных экспериментов на борту космического аппарата, требующих одновременного воздействия микрогравитации и высокого или сверхвысокого вакуума, либо только одного (экстремально высокого) вакуума.

К подобным технологическим процессам относится изготовление сверхчистых материалов, а также тонкопленочных солнечных элементов (методами осаждения паров или ориентированного роста кристаллов — эпитаксии) в условиях высокого вакуума. В ходе экспериментов на борту космических аппаратов с использованием космического вакуума можно решать весьма обширный круг задач: исследовать физические свойства поверхности твердого тела (в частности, полупроводника), изучать взаимодействие различных молекулярных газов, а также ионных потоков с поверхностью твердого тела, проводить химический анализ поверхности и т. д.

В настоящее время даже среди специалистов широко распространено мнение о том, что использование космического вакуума в экспериментах, проводимых на борту, скажем, орбитальных станций, не представляет собой большой сложности, поскольку именно в условиях космического вакуума движутся орбитальные станции. В действительности, однако, использование космического вакуума является не столь уж простым делом и требует применения специальных методов, способствующих созданию необходимых глубины вакуума и скорости газовыделения бортовых установок.

Можно выделить три основных способа использования космического вакуума: в качестве «насоса» для откачки вещества из бортовой вакуумной камеры; в качестве вспомогательного «насоса» для предварительной откачки с последующим применением автономных насосов для создания высокого и сверхвысокого вакуума; в качестве «насоса», снабженного специальным защитным устройством (или просто — защитой), препятствующим «контакту» с космическим вакуумом, имеющим худшие характеристики (например, в зоне сгущения около лотовой поверхности космического аппарата).

Для проведения достаточно простых экспериментов с космическим вакуумом можно с успехом воспользоваться первым из перечисленных способов. Так, например, поступили при проведении экспериментов на борту американской орбитальной станции «Скайлэб». Из находящейся на ее борту сферической вакуумной камеры диаметром 0,4 м (объемом 32 л) отходила трубка диаметром 0,1 м и длиной 0,3 м, которая через шлюзовой затвор выходила в открытый космос. Соответствующей ориентацией орбитальной станции можно было добиться, чтобы отверстие трубки выходило в сторону, противоположную орбитальному движению, где, как известно, имеется зона разрежения в газовой среде, окружающей космический аппарат.

Расчеты показывали, что использование космического вакуума в качестве «насоса» позволяет получать достаточно низкое рабочее давление в такой вакуумной камере, равное для молекул водорода 6,65-10^-5 Па. Такое значение рабочего давления и было достигнуто в ходе экспериментов на борту станции «Скайлэб», однако для проведения экспериментов с плавлением металлов газовыделение в рассматриваемом типе вакуумной камеры может повысить давление примерно до 5-10^-3 Па.

Применение дополнительных автономных насосов способно понизить рабочее давление в бортовой вакуумной камере примерно в 20 раз, т. е. до значения 2,5-10^-4 Па, а в случае криогенных автономных насосов — и до еще более низкого значения. Правда, для этого требуется предварительное обезгаживание всех компонентов вакуумной установки на Земле.

При предварительном прогревании вакуумной камеры, как это обычно делается при получении сверхвысокого вакуума в земных лабораториях, скорость газовыделения может быть снижена примерно в 100000 раз, а предельное рабочее давление в камере — до 7-10^-10 Па.. Однако еще более существенное понижение рабочего» давления (до значения порядка 10^-12 Па), видимо, возможно будет лишь с помощью специальных устройств «теневой» защиты.

Как полагают, такое устройство будет представлять собой полусферическую оболочку (рис. 3), ориентированную так, чтобы открытая часть полусферы была направлена в сторону, противоположную направлению скорости движения космического аппарата. При этом внутренняя часть полусферы экранируется от «набегающего» газового потока. Само устройство может располагаться либо на штанге, выдвигающейся из космического аппарата на расстояние до 100 м (рис. 4), либо размещаться на автономно летящих непилотируемых космических платформах (рис. 5).

На высотах полета низколетящих искусственных спутников Земли доминирующей составляющей земной атмосферы является атомарный кислород с относительно высокой концентрацией (порядка 10¹⁵ м^-3). Следовательно, нижняя атмосфера Земли состоит главным образом из химически активного газа, что, по-видимому, не позволит получать материалы высокой чистоты в технологических экспериментах без использования соответствующих защитных устройств. Да и на больших высотах полета, где атмосфера более разрежена, а атмосферный газ более инертный (главная составляющая здесь — гелий), также требуется защитное устройство из-за наличия загрязняющих газов, источником которых является сам космический аппарат.

Кстати, для рассмотренного ранее защитного устройства принята полусферическая форма, характеризуемая минимальным отношением площади внутренней поверхности к объему, что как раз необходимо для снижения воздействия загрязняющих газов. Кроме того, в случае сверхчистой (негазовыделяющей) защиты полусферическая форма эффективно защищает экспериментальную зону от молекул, находящихся по ходу движения космического аппарата, и даже от молекул, которые благодаря своей тепловой скорости могли бы догнать космический аппарата и попасть в экспериментальную зону (чтобы последнее не происходило, требуется, чтобы орбитальная скорость намного превышала тепловую скорость частиц газовой среды).

Расчеты показывают, что поток частиц, сталкивающихся с внутренней поверхностью защитного устройства, должен состоять преимущественно из атомов водорода и по порядку величины соответствовать потокам газа в земных лабораторных вакуумных установках с рабочим давлением 6,65-10^-13 Па. Надо сказать, что имеются четыре основных источника, определяющих суммарную концентрацию газовых частиц внутри защитного устройства: составляющие земной атмосферы, продукты газовыделения внутренней поверхности защиты, продукты газовыделений деталей эксперимента, продукты газовыделения стенками космического аппарата.

При размещении защитного устройства на непилотируемых космических аппаратах (например, на пассивных гравитационно стабилизированных космических платформах) можно избежать ряда загрязнений, присущих пилотируемым космическим аппаратам. Кроме того, в этом случае становится возможным осуществлять длительное (в течение месяцев) предварительное прогревание для обезгаживания частей космического аппарата, находящихся в космическом вакууме.