КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 2, с. 106-112
УДК 533.27:533.2
ПОТЕРИ МАССЫ ПОЛИИМИДНЫХ ПЛЕНОК КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА И ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ © 2014 г. В. А. Шувалов, Н. И. Письменный, Г. С. Кочубей, Н. А. Токмак
Институт технической механики Национальной академии наук Украины, г. Днепропетровск
shuv@vash.dp.ua Поступила в редакцию 05.03.2012 г.
Определены пороговые значения годового флюенса атомарного кислорода « 1020 см-2), а также отношения плотности потока энергии вакуумного ультрафиолетового излучения солнечного спектра к плотности потока атомарного кислорода (Фу/ФАК « 8 • 10—15 мДж), характеризующие влияние синергетического эффекта на унос массы полиимидных пленок карШп-Н, ПМ-А и ПМ-1Э — конструкционных материалов КА.
БО1: 10.7868/80023420614020071
ВВЕДЕНИЕ
Околоспутниковая среда на высотах 200—800 км агрессивна по отношению к полимерным пленкам и покрытиям КА. На околоземных орбитах факторами, определяющими изменение химических, термо-оптических и механических свойств полимеров, являются высокоскоростные потоки атомарного кислорода (ионы и нейтралы с энергией ~5 эВ), термоциклирование в вакууме и электромагнитное излучение Солнца, в частности, вакуумный ультрафиолет (ВУФ) в диапазоне длин волн Xv ~ 10—200 нм. Воздействие высокоскоростных потоков атомарного кислорода (АК) приводит к эффективной окислительной деструкции полимерных материалов с образованием летучих оксидов СО, СО2 и Н2О, что и обусловливает унос массы материалов. Атомарный кислород модифицирует первый атомный слой (~1 нм). Вакуумный ультрафиолет вызывает деструкцию ароматических групп ниже слоя поверхности, эродировавшего при бомбардировке АК. Нелетучие оксиды (Ag2O, SiO2 и др.) образуют слои и пленки, которые существенно изменяют термооптические свойства материалов и, как следствие, тепловой режим КА.
Экспозиция полиимидных пленок на МКС, орбитальной станции Мир, КА Space Shuttle на высотах <350 км [1—5] показала, что степень эрозии образцов полиимидных материалов (унос массы, уменьшение толщины пленки) пропорциональна флюенсу АК (появился термин "полии-мидный эквивалентный флюенс АК"). Стендовые исследования [6—11] свидетельствует о том, что ВУФ усиливает действие АК, увеличивает
эрозию полиимида в несколько раз. Вакуумный ультрафиолет содействует десорбции молекул СО, СО2, Н2О и Н2 с поверхности полиимида: энергии ВУФ-излучения солнечного спектра достаточно для разрыва связей С—С, С—О и функциональных групп. В то же время полиимид инертен к воздействию ВУФ в отсутствие АК [6, 7, 10].
Соотношение плотностей потоков вакуумного ультрафиолета и атомарного кислорода (ВУФ/АК) — ключ к количественному описанию синергетическо-го эффекта при воздействии АК и ВУФ на высотах >500 км, к процедуре отбора полиимидных пленок — конструкционных материалов КА.
Цель данной работы — определить пороговое значение отношения плотностей потоков энергии ВУФ к плотности потока АК и интегрального флюенса АК, характеризующих синергетический эффект воздействия (Е = АК + ВУФ) на унос массы полиимидных пленок.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОТОКОВ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА И ВУФ-ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО СПЕКТРА НА МАТЕРИАЛЫ КА
Условием физико-химического моделирования и имитации воздействия высокоскоростного потока АК на материалы наружных поверхностей КА является равенство скоростей им = ин и энер-
¡2 = МАКи2н/2 при идентичности сорта частиц, бомбардирующих поверхность, а также
гий MAKUM
равенство интегральных флюенсов F^ = F\H) или
AH)
плотностей потоков атомарного кислорода Ф АКЬм
= Ф AKtn (индекс "М" характеризует условия физического моделирования; "Н" — условия на орбите UH = 8 км/с; M akU2h/2 = 5 эВ; Мж — масса атома кислорода; Ф^ = NAKUAK; NUK — концентрация, скорость атомов кислорода; t — время экспозиции). Атомарный кислород в атмосфере Земли на высотах от 200 до 800 км ионизован, степень ионизации — от 10-4 до 10-1 [12].
Физико-химическое воздействие АК на материалы и покрытия КА в атмосфере Земли характеризуют взаимосвязанные процессы обмена энергией, массой и зарядом между частицами окружающей среды и поверхностью твердого тела. Положительные ионы АК с энергией от 5 до 10 эВ выполняют роль радиационно-химическо-го активатора поверхности материала КА. Природа такого взаимодействия связана с нейтрализацией ионов, приводящей к возбуждению в полупроводниках и диэлектриках электронно-дырочных пар, достаточно долго сохраняющихся в поверхностном слое толщиной не менее 10 атомных монослоев. В условиях бесстолкнови-тельного обтекания КА потоком частично ионизованного диссоциированного кислорода в атмосфере Земли с вероятностью, близкой к единице, непосредственно с поверхностью материалов КА взаимодействует нейтральный атом кислорода с кинетической энергией иона в момент нейтрализации [13—18].
Равенство скоростей (или энергий), а также интегральных флюенсов АК при бесстолкнови-тельном обтекании поверхностей твердого тела сверхзвуковым потоком частично ионизованного газа обеспечивает моделирование процессов физико-химического взаимодействия КА с окружающей средой в атмосфере Земли. Моделирование условий длительной эксплуатации КА предполагает проведение ускоренных ресурсных испытаний с применением более интенсивных, чем на орбите, потоков частиц. Из равенства плотностей потоков АК в атмосфере Земли и на стенде следует Ф AK = Ф AK (tB/tM) = ФАкКу, где коэффициент ускорения Ky = tHlt м > 1 — отношение длительности эксплуатации КА на орбите к длительности испытаний в форсированном режиме (в соответствии с термодинамическим критерием эквивалентности испытаний [19]), характеризует условия приведения материала в одно и тоже состояние в части накопленных повреждений. Энтропийный критерий эквивалентности режимов эксплуатации и испытаний предполагает наличие верхних (предельных) значений нагрузок (флюенса АК) для ускоренного режима. Главное условие выбора верхних (предельных) значений нагрузок состоит в том, чтобы ускоренные испы-
тания не приводили к изменениям в механизмах взаимодействия частиц с поверхностью, возникновению новых (отличных от условий эксплуатации) физико-химических процессов в материалах, изменению механизмов накопления повреждений. Область допустимых нагрузок при форсированных модельных испытаниях может
быть определена условием: Ф Ак < Ф Ак < Ф(Тх) Для взаимодействия потока АК с поверхностью космического аппарата это условие соответствует требованию: процессы на поверхности, инициированные одним соударением, не должны перекрываться во времени. Для концентрации и плотности потока АК должны выполняться условия
[14]: иМ = 1012 см-3 и ФМ =1018 см-2 с-1. Эти условия приемлемы для любого материала поверхности КА: для металлов Ф ~ 1027 см-2 с-1, для полимерных материалов и покрытий - Ф ^К^ ~ ~ 1020 см-2 с-1 [14].
Таким образом, для реализации ускоренных испытаний материалов наружных поверхностей КА с целью определения их эрозионной стойкости к воздействию потока атомарного кислорода в атмосфере Земли необходимо обеспечить: наличие частично ионизованного потока АК с направленными скоростями, близкими либо равными орбитальным скоростям КА в ионосфере; режим бес-столкновительного обтекания фрагментов элементов конструкций КА или образцов испытуемых материалов газовым потоком; выполнение для параметров АК в ионосфере и на стенде условий физико-химического моделирования [20].
Плотность потока энергии солнечного излучения - солнечная постоянная - составляет ~1.4 • • 103 Дж/м2 с. Примерно 0.03% потока излучения (~0.4 Дж/м2 с) приходится на вакуумный ультрафиолет ~ 10...225 нм). Доля солнечного ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн от 10 до 400 нм составляет (8-9)%, т.е. ~126 Дж/м2 с [8, 21, 22].
Эффекты коротковолновой области солнечного излучения могут воспроизводить водородные и дейтериевые лампы, а также газоструйный имитатор ВУФ [15, 23-25]. Эта область излучения ответственна за поверхностную деструкцию полимеров. Эффект длинноволновой области солнечного спектра частично воспроизводится только дейтериевой лампой [22].
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальные исследования проводились на плазмодинамическом стенде Института технической механики. Для генерирования сверхзвуковых потоков ионов атомарно-молекулярного кислорода (О+ + О+) использовался газо-
разрядный ускоритель с ионизацией рабочего тела электронным ударом и осцилляцией электронов во внешнем магнитном поле. Детали постановки и проведения исследований по деградации полимерных и композитных материалов под воздействием потоков АК на стенде приведены в [20]. В статических условиях (в отсутствии потока АК) давление в вакуумной камере стенда ~1 • 10—5 Па, при натекании газа ~1 • 10—3 Па: условия бесстолкновительного обтекания образцов испытуемых материалов размером 50 х 50 мм2 выполняются. Изменение тока разряда плазменного ускорителя от 0.7 до 5.0 А позволяет получать потоки ионов АК со скоростью UM ~ 7.6 км/с и концентрацией от 5 • 1013 до 2 • 1016 м-3. Поверхность твердого тела, помещенного в поток разреженной плазмы, приобретает равновесный отрицательный потенциал: ф^ = (-kTe/e)\n (vj i4tUm ), где
Ve = yj2kTjme — тепловая скорость; Te, me — температура и масса электронов плазмы. Кинетическая энергия взаимодействия в системе "АК—по-лимерная пленка" E~ 9.1 эВ, а направленная по нормали к бомбардируемой поверхности скорость иона UAK ~ 9.3 км/с. Приведенные условия позволяют при измерениях реализовать значения
интегрального флюенса 1015 < F(AP < 1021 см-2. Четыре образца испытуемых материалов, а также плоский зонд из Mo диаметром dp ~ 3.5 • 10—3 м и цилиндрический зонд — молибденовая нить диаметром dp = 90 • 10—6 м и длиной lp ~ 5 • 10—3 м крепятся на фронтальной поверхности термостата. Поверхности зондов ориентированы ортогонально к вектору скорости UK Зонды, расположенные в одной плоскости с образцами, позволяют контролировать флуктуации параметров потока АК — по изменению ионного тока насыщения при фиксированном потенциале зонда фр относительно потенциала плазмы ф0 (ф^ = фP - ф0). Для плоского зонд
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.