Теплофизические и электрофизические явления

Как уже отмечалось, в космическом вакууме передача тепла происходит только путем лучистого теплообмена и практически отсутствует теплообмен за счет конвекции и теплопроводности среды. Передача тепла за счет теплопроводности затруднена даже через соприкасающиеся между собой части космического аппарата, поскольку из-за шероховатости поверхностей на них имеется множество микронеровностей с вакуумными промежутками между ними.

На околоземной орбите теплопередача за счет теплопроводности газа все же имеет место не в столь разреженной среде земной атмосферы. Однако на достаточно высоких орбитах, в более разреженных слоях, теплопроводность воздуха сильно уменьшается с понижением атмосферного давления. Например, при давлении порядка 10^-2 Па теплопроводность воздуха равна 0,01% теплопроводности воздуха на уровне моря (при так называемом нормальном атмосферном давлении).

Вообще говоря, из кинетической теории газов известно, что теплопроводность газа в широком диапазоне не зависит от давления. Но когда средняя длина свободного пробега молекул газа становится больше характерных размеров системы (т. е. космического аппарата), теплопроводность начинает пропорционально уменьшаться с уменьшением давления. Затем наступает молекулярный режим теплопередачи, когда теплопроводность газа является пренебрежимо малой величиной.

Теплообмен между газовой средой и твердой поверхностью характеризуется так называемым коэффициентом аккомодации тепловой энергии, который существенно зависит от состояния поверхности. Этот коэффициент сильно различается при отсутствии и, наоборот, наличии адсорбированных, окисных или других подобных пленок на поверхности космического аппарата; например, для гелия на «чистом» вольфраме коэффициент аккомодации тепловой энергии равен 0,017, а на вольфраме с адсорбированной пленкой — 0,5. Поэтому от того, есть или нет такая пленка на поверхностях, зависит также тепловой режим космического аппарата.

Таким образом, массопотери и газовыделение материалов космического аппарата в космическом вакууме существенно изменяют свойства, связанные с теплофиз ическими характеристиками материалов. Претерпевают изменения и диэлектрические характеристики материалов, в частности электропроводность.

На поверхностях диэлектриков в космическом пространстве могут накапливаться значительные электрические заряды, что способствует возникновению разрядов между токонесущими частями. Наиболее опасной зоной давлений для этого является интервал значений 1 — 100 Па. Кроме того, электропроводность поверхностных слоев (в зависимости от их физического состояния) может приводить к поверхностным токам утечки.

Когда процессы ионизации отсутствуют и каждая молекула газа остается электрически нейтральной, газ в целом является совершенным изолятором, и в этом случае ток в межэлектродных промежутках всегда отсутствует. При приложении высокого напряжения некоторые электроны начинают вырываться из атомов молекул и в какой -то момент существуют самостоятельно в межэлектродном промежутке, пока не попадут на электроды или пока не встретятся с другой молекулой (атомом) и в результате рекомбинируют. Если при этом носители тока (электроны) образуются чаще, чем исчезают (рекомбинируют), то газ в межэлектродном промежутке становится электропроводящим.

На рис. 9 представлены зависимости напряжения электрического пробоя от величины произведения давления газа на межэлектродное расстояние, известные как графические отображения закона Пашена (кривые Пашена). Эти кривые лишь качественно иллюстрируют явление, поскольку реальная такая зависимость во многом определяется площадью поверхности и материалом электродов. Помимо этого при испарении с последующей конденсацией вещества на более охлажденных участках неизолированных электрических цепей в космическом вакууме возникают токи утечки, тем самым нарушая режим работы электронных схем.

К числу условий космической среды, способствующих возникновению разрядов и пробоев в бортовых приборах космического аппарата, следует отнести также наличие различных космических излучений (как электромагнитных, так и корпускулярных).

Таким образом, при эксплуатации электронного и электротехнического оборудования космических аппаратов в условиях космического вакуума появляются токи утечки, разряды, пробои и другие нежелательные электрофизические явления. Поэтому для нормальной эксплуатации электронные блоки и узлы космического аппарата обычно прикрывают полугерметичным экраном («закрытые» узлы), который, помимо прочего, защищает их и от воздействия космических излучений и обеспечивает лучший тепловой режим.

Правда, следует сказать, что при работе аппаратуры в космическом вакууме будет также понижаться и давление в полости под такими экранами, и в некоторый момент оно может достичь уровня 1 — 100 Па, соответствующего минимуму кривой Пашена (см. рис. 9). Если в этот момент в составе бортовой аппаратуры имеются включенные высоковольтные межэлектродные промежутки, то в них могут возникать пробои и разряды, опасные для работы всей аппаратуры в целом.

К сожалению, расчеты условий пробоя в полугерметичных полостях затруднены тем, что неопределенной является конфигурация каналов миграции газов в космическом вакууме, а кроме того, одновременно могут существовать испарения газовых частиц различной природы. В настоящее время надежно оценить работоспособность электронных схем и электрических устройств космического аппарата можно лишь экспериментально, используя лабораторные вакуумные установки.

Рассмотренные здесь различные явления, список которых можно было бы продолжить, иллюстрируют собой отрицательное воздействие космического вакуума. Однако надо подчеркнуть, что условия космического вакуума могут нести и полезную службу. Ранее уже говорилось об использовании космического вакуума в качестве своеобразного «насоса» для откачки вещества из вакуумных установок. Кроме того, космический вакуум существенно облегчает создание надувных и вспенивающихся конструкций в космическом пространстве, управление положением и стабилизацией космических аппаратов (на основе диффузионных и сублимационных процессов) и т. д.