и интегральных флюенсов
= ^Н)
1
10
1-2
10
1-4
тАМ) ^О
или
Ф(М) х = ф(н) t
(3)
(4)
где индекс "М" соответствует условиям стендового моделирования, "Н" - условиям на орбите; иН ~
2
~ 8 км/с; МО иН /2 ~ 5 эВ; МО - масса атома кисло-
(Н) (Н) (Н)
рода; ФО = NО иН - плотность потока АК; N0 -концентрация атомов кислорода; ХН - время контакта газ-поверхность.
Значения плотности потока фО^) атомов кислорода, бомбардирующих поверхность КА, приведены на рис. 1 [1]. Кривая 1 соответствует номинальным (стандартным) условиям солнечной активности; 2 - максимуму солнечной активности; 3 - минимуму солнечной активности. Атомарный кислород в ионосфере Земли на высотах от 200 до 700 км ионизован. Кривые 4,5 рис. 1 представляют зависимости степени ионизации АК £ = N0+ (4 - ночь,
5 - день) для номинальных условий солнечной активности. Степень ионизации АК на высотах от 200 до 700 км колеблется от 10-4 до 10-1 [2].
Физико-химическое воздействие АК на материалы и покрытия в ионосфере характеризуют взаимосвязанные процессы обмена энергией, массой и зарядом между частицами набегающего потока и поверхностью, включая химические реакции в адсорбированном и поверхностном слоях в условиях бесстолкновительного обтекания КА.
Положительные ионы АК с энергией от 5 до 10 эВ выполняют роль радиационно-химического активатора на поверхности материалов 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 [3].
В условиях бесстолкновительного обтекания элементов конструкций КА потоком ионосферной разреженной плазмы с вероятностью, близкой к единице, непосредственно с поверхностью материалов КА взаимодействует нейтральный атом кислорода с кинетической энергией иона в момент нейтрализации [3, 4].
Нейтрализация положительных ионов происходит на расстоянии нескольких диаметров иона от поверхности твердого тела. Во время нейтрализации положительных ионов происходит выделение энергии. Большая часть (2/3) энергии нейтрализации каждого иона, согласно оценкам [4], переходит в тепловую энергию тела. Другая часть (1/3) энергии нейтрализации иона расходуется на возбужде-
600 400 200
\ Ч \ 1 \ \ \ Ч 1
ч \ 4 3 4 ^ ^ \ \ 4 . 5 2
| 1 | - - \
10
15
10
,17
21
1019 10:
ФОР, атом/(см2 год)
Рис. 1. Зависимость плотности потока Ф^) и степени ионизации ^ атомарного кислорода от высоты. Кривая 1 - номинальные условия солнечной активности; 2 - максимум солнечной активности; 3 - минимум солнечной активности; 4 - номинальные условия солнечной активности (ночь); 5 - номинальные условия солнечной активности (день).
ние электронов и образования дырочных структур твердого тела [3, 4].
Близость процессов физико-химического взаимодействия в системах ион-твердое тело и нейтрал-твердое тело подтверждает близость значений коэффициентов аккомодации импульса и энергии, и гетерогенной рекомбинации атомов и ионов кислорода и азота на бомбардируемых поверхностях.
Измеренные значения параметров, характеризующих динамическое (силовое и тепловое) взаимодействие газового потока с поверхностью твердого тела - коэффициентов аккомодации нормального импульса а„, энергии аэ и гетерогенной рекомбинации для газовых ионов практически совпадают с расчетными и измеренными значениями а„, аэ и для нейтральных атомов, включая ионы и атомы кислорода и азота [5-10].
Выполнение условий (1), (3) при бесстолкнови-тельном обтекании поверхностей твердого тела сверхзвуковым потоком частично ионизованного АК обеспечивает моделирование и имитацию процессов физического (динамического) и химического взаимодействия материалов наружных поверхностей с АК в ионосфере Земли. Моделирование условий длительной эксплуатации КА на орбите предполагает проведение ускоренных ресурсных (стендовых) испытаний с применением более интенсивных, чем на орбите, потоков частиц. Из (4) следует
фОм) = ФОН) ^ = ФОН) К.
1М
(5)
Здесь ку = tH/tM > 1 - коэффициент ускорения, отношение длительности эксплуатации КА на орбите к длительности стендовых испытаний в форсированном режиме (в соответствии с термодинамическим критерием эквивалентности испытаний [11])
С
h
км
характеризует условия приведения материала в одно и то же состояние в части накопленных повреждений.
Энтропийный критерий эквивалентности режимов эксплуатации и испытаний предполагает наличие верхних (предельных) значений нагрузок (концентраций и флюенса АК) для ускоренного режима. Главное условие выбора верхних (предельных) значений нагрузок состоит в том, чтобы ускоренные испытания 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 (стендовых) испытаниях может быть определена условием: Ф^ ^ ФМ) < < Фо max. Для взаимодействия потока АК с поверхностью КА это условие соответствует требованию, чтобы процессы на поверхности, инициированные одним соударением, не перекрывались во времени. Согласно оценкам работы [3] для концентрации и плотности потока АК такому требованию соответствуют соотношения
NM - 1012 см-3 и Ф0М) - 1018 см-V1. (6)
Условия (6) приемлемы для любой поверхности, так как для металлов Фо max - 1027 см-2 с-1, а для полимерсодержащих материалов и покрытий Фо max - 1020 см-2 с-1 [3].
Таким образом, для реализации ускоренных модельных испытаний материалов наружных поверхностей КА с целью определения их эрозийной стойкости к воздействию атомарного кислорода в ионосфере необходимо обеспечить: наличие потока частично ионизованного АК с направленными скоростями частиц близкими либо равными орбитальным скоростям в ионосфере; режим бесстолк-новительного обтекания фрагментов элементов конструкций КА или образцов испытуемых материалов газовым потоком; выполнение для параметров АК в ионосфере и на стенде условий и соотношений (1), (3), (5) и (6).
Перечисленные условия реализованы на плаз-модинамическом стенде Института технической механики НАНУ [9].
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Стенд, средства измерения и контроля параметров потока. Стенд относится к классу плазменных газодинамических труб и позволяет создавать высокоскоростные потоки разреженной плазмы с широким диапазоном рабочих параметров. Безмасляная откачивающая система производительностью по воздуху около 50 м3/с (вакуумный электроразрядный агрегат и система турбомолеку-
лярных насосов), наличие криопанелей, охлаждаемых жидким азотом (ЬК2), дают возможность реализовать в вакуумной камере - цилиндре диаметром 1.2 м и длиной 3.5 м - статическое разряжение 10-5 Па, а в рабочих условиях при натекании газа давление 10-4-10-3 Па.
В качестве источника сверхзвуковых потоков разреженного частично ионизованного газа используется газоразрядный ускоритель с ионизацией рабочего тела электронным ударом и осцилляцией электронов во внешнем магнитном поле. Стенки разрядной камеры и элементы катодного узла охлаждаются проточной водой. Разряд "горит" между ленточным катодом и цилиндрическим анодом в кварцевой трубке (внутренний диаметр 60 мм, длина 200 мм, толщина стенки 4.0 мм). В вакуумной камере плазменная струя до термостата с испытуемыми образцами распространяется в кварцевой трубке с внутренним диаметром 160 мм и длиной 260 мм. По сути, ионизация газа и расширение плазменной струи в вакуум происходит внутри объема, ограниченного соосными кварцевыми трубками (с частичным заходом трубки диаметром 60 мм в трубку диаметром 160 мм).
Ресурс ленточного катода, выполненного из фольги тантала с ниобием толщиной 0.2 мм и рабочей частью 22 х 22 мм в кислороде ~ 60 мин. Смена катода осуществляется без разгерметизации вакуумной камеры при давлении в рабочей части 10-5 Па. Разрядный ток 1р ~ 7.5 А. Через катод пропускается ток до 400 А. Применение ускорителя с "саморазгоном" плазмы позволяет получать в рабочей части вакуумной камеры стенда высокоскоростные потоки частично ионизованного атомарно-молекулярного кислорода. Стенд снабжен электронной пушкой с энергией частиц от 0.1 до 30 кэВ и плотностью потока высокоэнергичных электронов от 10-2 до 102 нА/см2, источником электромагнитного излучения солнечного спектра в диапазоне длин волн от 115 до 400 нм [10].
Для измерения параметров плазменных потоков служит система электрических зондов и СВЧ-интерферометры, работающие в частотном диапазоне от 3 до 3.75 ГГц. Образцы испытуемых материалов, установленные на термостате, и диагностические средства размещены на подвижных платформах верхнего и нижнего координатников с четырьмя степенями свободы каждый, обеспечивающих продольное и поперечное перемещение в горизонтальной плоскости, перемещение в вертикальной плоскости и вращение вокруг вертикальной оси. Точность отсчета для линейных перемещений 0.5 мм, для угловых - 0.5°. В ходе проведения эксперимента образцы испытуемых материалов и диагностические зонды могут быть перемещены практически в любую точку струи и объема вакуумной камеры. При измерениях параметров заряженных частиц использовались элек-
трические зонды: цилиндрические (из вольфрама радиусом гр ~ 2 • 10-2 см, длиной 1р ~ 2.0 см и из молибдена гр ~ 4.5 • 10-3 см, 1р ~ 0.45 см), а также сферический диаметром 2гр ~ 0.40 см и плоский зонд из молибдена с рабочей поверхностью диаметром 2гр ~ 0.35 см. Энергия направленного движения потока ионов контролировалась многоэлектродным зондом-анализатором радиусом гр ~ 1.75 см. Для всех зондов при рабочих давлениях в вакуумной камере стенда ниже 10-2 Па выполнялись условия бесстолкновительного обтекания. Измерение вольт-амперных характеристик (ВАХ) и производных зондового тока проводилось в автоматическом режиме. Погрешность измерения индивидуальной ВАХ не превосходит ±2%. Для измерения производных зондового тока использовался метод гармоники [13]. Потенциал плазмы определялся по методу второй производной, а также по электронной ветви зондовой характеристики 1е, пост
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.