3. Пат. 2263305 РФ. Динамический способ исследования теплофизических свойств жидкостей и устройство для исследования теплофизических свойств жидкостей / В. Л. Веснин и др. // Изобретения. Полезные модели. 2005. № 30.
4. Берг А. Н., Николаев Д. М., Роде С. И. Термография. М.: Изд-во АН СССР, 1944.
5. Егунов В. П. Введение в термический анализ. Самара: СамВен, 1996.
6. Пат. 2183323 РФ. Способ исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей и устройство для его осуществления / М. Л. Конторович и др. // Изобретения. Полезные модели. 2002. № 12.
7. Соломин Б. А., Ходаков А. М. Сравнительный анализ схем термоохлаждающих устройств в установке для исследования теплофизических свойств жидкостей в условиях неравновесной термодинамики // Изв. Самар. науч. центра. РАН. 2008. № 3. С. 719—723.
8. Пат. 2419781 РФ. Вибровискозиметрический датчик / Б. А. Соломин, М. Л. Конторович, А. А. Подгорнов // Изобретения. Полезные модели. 2011. № 15.
9. Пат. 2289125 РФ. Способ исследования термодинамического структуропреобразования жидких сред / Б. А. Соломин и др. // Изобретения. Полезные модели. 2006. № 34.
10. Пат. 2362152 РФ. Способ исследования процессов структуропреобразования в жидкостях / Б. А. Соломин, В. Б. Галкин, А. А. Подгорнов // Изобретения. Полезные модели.
11. Пат. 2365906 РФ. Способ исследования процессов структуропреобразования в жидкостях / Б. А. Соломин, А. А. Подгорнов // Там же.
12. Соломин Б. А., Галкин В. Б., Подгорнов А. А. Способ исследования межмолекулярных взаимодействий в многокомпонентных жидких средах методами неравновесной термодинамики // Изв. Самар. науч. центра. РАН. 2008. № 3. С. 732—738.
13. Соломин Б. А., Галкин В. Б., Подгорнов А. А. Способ исследования межмолекулярных взаимодействий в смазочных маслах методами неравновесной термодинамики // Химия и технология топлив и масел. 2008. № 5. С. 48—51.
14. Соломин Б. А. и др. Метод определения наличия вос-ков и воскоподобных веществ в растительных маслах // Заводская лаборатория. 2010. Т. 76. № 5. С. 37—41.
15. Соломин Б. А., Галкин В. Б., Подгорнов А. А. Комплексное исследование термостимулированных микроструктурных процессов в смазочных маслах // Химия и технология топлив и масел. 2010 № 5. С. 47—51.
16. Низаметдинов А. М. и др. Метод количественного определения содержания восков в растительных маслах // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2013. Т. 15. № 4. С. 42—46.
Дата принятия 13.01.2014 г.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
629.786.2:537.29:537.24
Электростатические явления вблизи низкоорбитальных космических аппаратов
Ю. А. ПЛАСТИНИН, И. Ю. СКРЯБЫШЕВА
Центральный научно-исследовательский институт машиностроения, Королев, Россия,
e-mail: 103300@rambler.ru
Рассмотрено изменение поляризованных полярных составляющих околообъектовой среды вблизи заряженной поверхности низкоорбитальных космических аппаратов.
Ключевые слова: низкоорбитальный космический аппарат, околообъектовая среда, атмосфера, ионосфера, кинетика, электростатическое поле, потенциал, напряженность.
It was considering the behaviour of polarized polar contaminants forming environment near charged surfaces of low-orbital spacecrafts.
Key words: low-orbital spacecraft, environment, atmosphere, ionosphere, kinetics, electrostatic field, potential, strength.
При проведении оптически тонких экспериментов на низких околоземных орбитах возникают проблемы, связанные с воздействием орбитальной среды на конструкционные материалы космических аппаратов (КА) [1—5]. Нейтральные, зарядовые составляющие и электромагнитное из-
лучение Солнца вызывают потоки возбужденных контами-нант в околообъектовой среде, которые создают шумы в видимом и оптическом диапазонах. Дополнительным источником такого шума также является заряд поверхности материала. Отрицательно заряженные поверхности притягивают
положительно заряженные ионы кислорода, превалирующие в рассматриваемой области высот, и поляризованные полярные составляющие околообъектовой среды, вызывая сложный комплекс плазменно-химических процессов вблизи и на заряженной поверхности, что в итоге оборачивается загрязнением и снижением качества материалов (стекол объективов оптических систем, защитных покрытий солнечных батарей (СБ) и т. д.).
Цель настоящей статьи — разработка метода определения электрической зарядки (полей и потенциалов) поверхности конструкционных материалов КА в условиях воздействия верхней ионосферы Земли для расчета притока поляризованных контаминант к заряженной поверхности КА, вызывающих указанные эффекты. Для достижения поставленной цели рассмотрим модель расчета электростатических полей на примере тонкой оптически прозрачной диэлектрической пленки (моделирующей кварцевое покрытие СБ) и применим ее для высот функционирования низкоорбитальных КА.
Модель расчета электростатических полей и потенциалов заряженного диэлектрического покрытия низкоорби-тапьных КА. В основу методики расчета положена стационарная модель однослойного диэлектрика с подвижными и захваченными ловушками носителями в пренебрежении их диффузией [6]. Изначально эта модель предназначалась для высокоорбитальных КА. В области низких орбит характер околообъектовой среды существенно меняется. Суть этих изменений в следующем.
Верхнюю среднеширотную атмосферу можно условно разделить на две области: первая — ниже 100 км (гомогенная атмосфера, состоящая из N (~80 %), 02 (~18 %), небольшой примеси N0^ Аг и др. газов); вторая — свыше 100 км (в результате фотодиссоциации молекулярного кислорода начинают преобладать атомы О). На высотах около 500 км в зависимости от активности Солнца и расположения орбиты КА изменяются плотность нейтральных составляющих свободной атмосферы в диапазоне 2 ■ 1012 — 3 ■ 1014 м-3, кинетическая температура газа 500—2000 К, давление 1,33 ■ (10-8—10-6) Па. Ультрафиолетовое и вакуумное ультрафиолетовое излучения проникают в атмосферу до высот порядка 60 км от поверхности земли, способствуя возникновению возбужденных и заряженных составляющих. Высотное
изменение плотности нейтральных частиц, частоты ионизации и поглощения излучения атмосферой приводит к формированию структурных слоев ионосферы Е, F1 и F2) [7].
Таким образом, в модель расчета электростатических полей и потенциалов заряженных покрытий для низкоорбитальных КА необходимо вносить изменения. На граничные условия влияют: электронная составляющая ионосферы с ограничением до 0,1 эВ в предположении максвелловского распределения частиц по скоростям, значения которых значительно превышают скорость движения самого КА; ионная составляющая с преобладанием положительно заряженных ионов 0+, тепловая скорость которых много меньше скорости движения КА; фотоны с энергиями 1,55 — 12,23 эВ. Начальные концентрации частиц свободной ионосферы определяют по модели [8].
В отличие от области высоких орбит, где присутствие частиц высоких энергий обуславливает накопление значительного объемного заряда, в рассматриваемой области основополагающую роль в процессах зарядки играют поверхностные эффекты, связанные с изменением потенциала поверхности и его градиента. Кроме того, задание нулевого потенциала на необлучаемом контакте (подложке) фс = 0 означает отсутствие инжекционных токов с него. В любом случае при фс = 0 или фс ф 0 напряженность Е электростатического поля объемного заряда по толщине 6 диэлектрического слоя на каждом /-м шаге вычислений определяют по формуле
Е(х) = I (х/) / [дц0п0(хД
где } (X/) — плотность тока утечки заряда внутри диэлектрического слоя; п0(х) — концентрация свободных носителей д, обуславливающая проводимость диэлектрического слоя; ц0 = 1,4 ■ 10-7 м2/(В ■ с) — истинная подвижность.
Так как токи утечки создают микроскопические поля, усредненная плотность такого заряда мала по сравнению с токами инжекции из ионосферы, что не противоречит классической теории электромагнитного поля. Как и в [9], инжек-цию зарядов с контактов определяют по градиенту потенциала Аф/Ах. Вторично-эмиссионными процессами ионов пренебрегают.
На рис. 1 представлены тестовые расчеты основных электрофизических характеристик кварцевого покрытия, облуча-
Рис. 1. Распределение потенциала ф и напряженности Е электрического поля по толщине кварцевого покрытия 6 = 6,4 мкм: 1 — инжекция носителей с необлучаемого контакта отсутствует, ф6 = фс; б — ф6 = 200 В и фс = 0; в — инжекция носителей с необлучаемого контакта учитывается, ф6 = 200 В и фс = 0; фм, Ем — представлены в [9], фр, Ер — рассчитанные в настоящей работе
Рис. 2. Распределение потенциала ф (кривые 1, 2) и напряженности Е (кривые 3, 4) электростатического поля по толщине кварцевой пленки С = 150 мкм при фс = 0, фс = -40 В:
1, 3 — фр, Ер при максимальной энергии электронов ионосферы Ее тах = 0,1 эВ, рассчитанный фс = -11,37 В; 2, 4 — фр, Ер при Ее тах = 100 эВ, рассчитанный фс = -37,56 В
емого электронами с энергией 28 кэВ. Толщина образца составляет 6,4 мкм. Рассмотрены различные варианты зарядки облучаемой поверхности. Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы. Рассчитанные кривые практически совпадают с результатами, представленными в [9]:
случай, изображенный на рис. 1, а, соответствует слабой зарядке облучаемой поверхности фс = ± 0, 01 В и отсутствию инжекции с необлучаемого контакта фс = 0. При фс > 0 облучаемая поверхность собирает электроны с учетом их эмиссии, чтобы скомпенсировать положительный объемный заряд, сосредоточенный у противоположного необлучаемого
Рис. 3. Распределение потенциала по поверхности кварца, заряженного до уровня фс = -11,37 В
контакта. Аналогичный характер имеет поле в случае, показанном на рис. 1, б. Для фс < 0 и фс = 0 облучаемая поверхность собирает электроны с большей энергией, обуславливая накопление отрицательного объемного заряда у подложки;
при инжекции носителей с необлучаемого контакта (см. рис. 1, в) характер поля спадающий. В отличие от результатов, приведенных в [9], инжекцию на необлучаемом контакте учитывают введением на нем двух граничных условий — величин дф/дх и фс ф 0. В противоположность предыдущему результату здесь инжекция существенно ослабляет напря
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.