Вакуум снаружи и внутри космического аппарата

Давление газа вокруг космического аппарата быстро падает в ходе его запуска с Земли и при выводе на околоземную орбиту. Условия высокого вакуума устанавливаются уже примерно после 3 — 5 мин космического полета. Это происходит на высоте около 150 км, где давление газа составляет около 5,05-10^-4 Па. При этом средняя длина свободного пробега частиц газа здесь ориентировочно в 5 — 10 раз превосходит характерный линейный размер космических аппаратов.

При этих так называемых бесстолкновительных условиях высокого вакуума, если на космическом аппарате имеются негерметичные отсеки, будет не хватать времени для того, чтобы давления снаружи и внутри отсеков выровнялись. Последнее обстоятельство может привести к ряду неприятностей: например, при наличии включенных высоковольтных электрических цепей в отсеках космических аппаратов — к электрическим пробоям и т. д.

Конечно, аналогичное неравенство давлений возникает и при входе космического аппарата в плотные слои атмосферы при возвращении на Землю, но, так сказать, с обратным знаком.

В космическом полете вакуумная среда вокруг космического аппарата определяется в общем случае характеристиками планетной атмосферы или межпланетного пространства, а также характеристиками искусственной атмосферы, образующейся газовыделением материалов космического аппарата и другими источниками (газовыделение двигателей управления, утечка газа из кабин, выбросы отходов в случае пилотируемых аппаратов и т. д.).

В ходе полета космического аппарата концентрация частиц газа у его передней (по направлению движения) и его задней частей различна. У передней части наблюдается зона сгущения (а отсюда и повышенного газового давления), образующаяся в результате сметания газовых частиц передней (лобовой) поверхностью летящего космического аппарата. До соударения с этой поверхностью они имели только так называемую тепловую скорость, т. е. меньшую, чем орбитальная скорость космического аппарата.

Например, для атомов водорода в районе низких орбит искусственных спутников Земли тепловая скорость равна около 1,5 км/с, а в районе геостационарной орбиты — около 2,5 км/с. Напомним, что типичная круговая орбита низколетящих искусственных спутников Земли имеет высоту около 200 км, а геостационарная орбита — 36000 км, и орбитальные скорости здесь соответственно равны около 8 и 3,2 км/с. Отсюда видно, что данный эффект выражен сильнее для низких околоземных (околопланетных) орбит, чем для геостационарной орбиты.

В общем случае максимальное давление частиц газа на лобовую часть космического аппарата может на порядок превышать значение, характерное для данной среды в определенной точке космического пространства, а давление на хвостовую часть — на несколько порядков быть ниже, чем это значение. В зоне сгущения содержатся частицы природной среды, а также частицы «от газовыделений материалов космического аппарата и т. д., в то время как у задней части космического аппарата находятся главным образом частицы этих газовыделений и другие составляющие собственной (искусственной) атмосферы космического аппарата. Протяженность этой области с отсутствием частиц природной среды может в 10 раз превышать характерные размеры космических аппаратов.

В полете космического аппарата лишь малая доля молекул, испаряющихся с его поверхности, будет возвращаться обратно (рис. 2). Это явление характеризуется так называемым коэффициентом возврата Z — отношением потока частиц, возвращающихся в единицу времени на единичную площадку поверхности космического аппарата, к потоку частиц, испаряющихся с нее в единицу времени. Например, Z порядка 10^-3 при давлении насыщенного пара около 10^-4 Па, создаваемом материалом с температурой около 300 К при средней молекулярной массе частиц 30 а. е. м. и средней длине их свободного пробега порядка 10 м. Для частиц с большей средней молекулярной массой Z >10^-4.

В целом для космического пространства коэффициент возврата не равен нулю, хотя и является достаточно малой величиной. Правда, эта величина несколько увеличивается при очень низких орбитах спутников. Если при высоте орбиты около 1000 км коэффициент возврата порядка 10^-6, то при высоте орбиты около 160 км — 0,5.

Обычно давление газовой среды на поверхность космического аппарата плавно изменяется от зоны сгущения до зоны разрежения (позади космического аппарата). Собственная атмосфера космического аппарата создает давление на его заднюю часть не более 10^-8 Па (согласно измерениям с помощью вакууметров). Основной составляющей этой атмосферы являются молекулы воды, но, кроме этой составляющей, было выявлено свыше 60 различных веществ (в том числе жир от человеческих пальцев, частицы силоконовых жидкостей и т. д.).

Во время полета пилотируемого космического аппарата на низких орбитах на его поверхности образуется мономолекулярный (толщиной в одну молекулу) слой в течение нескольких секунд. Для непилотируемых космических аппаратов скорость газовыделения, а следовательно, и образования (конденсации) такого слоя а 200 раз меньше. Естественно, концентрация частиц газовыделения уменьшается с увеличением расстояния от поверхности космического аппарата, однако это уменьшение различно для разных высот орбиты. Так, например, начальное значение концентрации этих частиц уменьшается на порядок на расстоянии 0,1 м от поверхности космического аппарата при высоте околоземной орбиты высотой 100 км и на расстоянии 2 м — при высоте орбиты 500 км.

Если известна скорость газовыделения материалов космического аппарата, можно получить оценку давления частиц газа внутри негерметического аппарата. В общем случае для этого используются расчеты на ЭВМ с учетом количества отсеков космического аппарата, их специфических соединений друг с другом, природы и температуры выделяющихся газов, состава и состояния собственной атмосферы космического аппарата, температуры поверхностей внутренних отсеков и т. д.