научная статья по теме ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПАНЕЛЕЙ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПАНЕЛЕЙ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА»

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.

(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.

Показать целиком