ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, < 2, с. 84-91
УДК: 629.786.2
МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ МИКРОГРАВИТАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ НА БОРТУ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ МИКРОГРАВИТАЦИОННЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
© 2009 г. А. А. Лобыкин
ОАО Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С П. Королева, Королев, Россия
Поступила в редакцию 16.01.2008 г.
В настоящей работе показано, что ни один из отечественных космических аппаратов, на которых могут проводиться микрогравитационные эксперименты, по уровню бортовой микрогравитационной обстановки не удовлетворяет требованиям по проведению экспериментов по физике жидкости и космическому материаловедению. Необходимый уровень микрогравитационной обстановки для проведения этих экспериментов имеет значение ~10-7#0. Предложены мероприятия по снижению уровня микрогравитационной обстановки на борту перспективного космического аппарата, предназначенного для микрогравитационных исследований, до необходимого уровня.
ВВЕДЕНИЕ
Космические аппараты (КА), выведенные на орбиту, представляют качественно новые возможности для получения материалов с улучшенными свойствами, новых материалов и биопрепаратов. В условиях микроускорений (невесомости) на КА процессы гидродинамики и тепломассообмена в газе и жидкости протекают иначе, чем на Земле. В невесомости можно избавиться от ряда технологических проблем и за счет этого добиться улучшения качества материалов, а иногда и получить новые материалы, которые нельзя или очень трудно получить на Земле. Исследования в этом направлении делятся на три основных группы: космическое материаловедение, физика жидкости и биотехнология.
обоснованное мнение о необходимости ужесточения требований к микрогравитационной обстановки на борту КА по сравнению с требованиями 88Р41000Б (рис. 1) [4-6].
Необходимость ужесточения микрогравитационной обстановки на борту КА при проведении микрогравитационных экспериментов основана на анализе и обобщении полученных в ИМЕТ РАН с 1975 г. экспериментальных данных о примесных неоднородностях в монокристаллах ряда полупроводниковых материалов (ве(81, 8Ъ, ва, 1п>, 1п8Ъ(Те>, 1п8Ъ-1пВ1, 1п8Ъ-№8Ъ), выращенных методами направленной кристаллизации из расплава на орбитальных комплексах "Аполлон-Союз", "Са-лют-6"-"Союз", искусственных спутниках Земли типа "Фотон". Была установлена причинно-след-
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КА, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ ТЕКУЩИМИ И ПЕРСПЕКТИВНЫМИ МИКРОГРАВИТАЦИОННЫМИ ЭКСПЕРИМЕНТАМИ
Одним из важнейших условий проведения экспериментов в области космического материаловедения, физики жидкости и биотехнологии на борту КА является микрогравитация. Предварительно проведенные расчетно-теоретические исследования по определению уровня остаточных микроускорений, достаточного для проведения большинства из планируемых микрогравитационных экспериментов, получили оформление в виде официального документа 88Р41000Б (требования по микрогравитации для проведения экспериментов на МКС) [1-3]. Кроме того, существует
Остаточные ускорения,
Частота, Гц
Рис. 1. Требования к микрогравитационной обстановке на борту КА, необходимой для выполнения перспективных микрогравитационных экспериментов.
ственная связь особенностей примесных неодно-родностей в монокристаллах, выращенных с остаточными микроускорениями на КА [4]. Показано [7-12], что квазипостоянные микроускорения с амплитудой более 10-6£0, медленно меняющиеся по величине и направлению, являются теми неконтролируемыми силами, которые приводят к непредсказуемым изменениям в гидродинамических процессах в расплавах и поэтому могут оказать существенное влияние на распределение компонентов в монокристаллах. Анализ результатов этих экспериментов позволил сделать вывод о том, что физической основой гравитационной чувствительности изученных систем при их направленной кристаллизации является возникновение в жидкой фазе ламинарных конвективных потоков, которые создают неоднородности концентрации компонентов в объеме жидкости и, протекая в пограничном слое вдоль фронта кристаллизации, приводят к образованию поперечной сегрегации в выращенных кристаллах [4].
Во всех экспериментах, конечно, играют роль не только величина и направление остаточных микроускорений, но и физические свойства материалов, а также характерные размеры жидкой фазы и рабочие режимы. Комплексное влияние этих параметров отражается в гидродинамических критериях подобия [4]. Для большинства полупроводниковых материалов коэффициенты, описывающие физические свойства, близки по величине. Кроме того, в большинстве выполненных экспериментов характерные размеры и рабочие режимы также отличаются не очень сильно. Это приводит к близости критериев подобия и, следовательно, к подобию изучаемых систем, что позволяет универсально использовать основные результаты численного моделирования для предсказания ожидаемых результатов планируемых экспериментов [4]. Так, например, в [13-17] были получены кривые зависимости объемных эффектов конвекции - концентрационной и температурной неодно-родностей (или "концентрационного расслоения" [13-16] и "температурного расслоения" [17]) в расплавах полупроводников от числа Рэлея Яа (Яа =
= — V Тй4 (Ь/й), где g - ускорение равнодействующей сил, действующих на расплав; Рг - коэффициент температурного расширения; V - коэффициент кинематической вязкости; % - коэффициент температуропроводности; VT - градиент температуры вдоль оси ампулы; Ь - длина области расплава; й - диаметр ампулы). Анализируя эти результаты, можно сделать вывод о том [18], что для достижения практически достаточной однородности в поперечных сечениях кристаллов, выращиваемых методами направленной кристаллизации, потребуется иметь условия тепломассопереноса в расплаве, характеризуемые величинами ка < 0.01, что для
"обычных" экспериментов (с VT ~ 5-15 К/см и Ь/й ~ 4) соответствует уровню остаточных микроускорений g < 10-% [4].
Это означает, что только при значениях Иа < < 0.01 основной механизм массопереноса в расплавах полупроводников станет таким, ради достижения которого, в частности, были начаты технологические эксперименты в невесомости, а именно - диффузионным. Например, в эксперименте, аналогичном МА-150, при поперечной компоненте g ~ 10 ^0 потоки с Яа < 0.01 не будут оказывать существенного влияния на распределение примесей [4].
Условия космического полета предоставляют уникальные возможности для изучения разнообразных физических явлений и процессов, исследование которых на Земле затруднено эффектами силы тяжести, в том числе для изучения влияния малых сил гравитационной и/или иной природы на процессы кристаллизации [4]. Ввиду сложного пространственно-временного изменения микроускорений в реальном космическом полете, а также высокой гравитационной чувствительности процессов конвективного тепло- и массообмена по-прежнему актуально проведение экспериментов в строго контролируемых условиях космического полета. Проект программы экспериментов данного направления носит название "Исследование процессов тепло- и массообмена в контролируемых условиях космического полета" и предусматривает изучение влияния побочных и трудно контролируемых факторов, не позволяющих добиться воспроизводимости результатов и препятствующих улучшению характеристик материалов [19]. Для проведения экспериментов данного класса предполагается использовать установку типа "Ингол". Проект включает две группы экспериментов [19]:
- эксперименты по физике жидкости, гидродинамике, конвекции и тепломассообмену в условиях микрогравитации (изучение влияния течений различной природы в жидкой и газовой фазах на структуру и свойства получаемых в космосе материалов, разработка методов управления этими процессами, исследование динамики фазовых не-однородностей в полости с жидкостью, совершающей непоступательные вибрации в условиях микрогравитации, разделения фаз в критической точке, кипения, фазовых переходов и др.) [19].
- изучение процессов переноса при росте кристаллов на оптически прозрачных средах, воздействия контролируемых вибраций на тепломассо-перенос в жидкой фазе в условиях направленной кристаллизации, термокапиллярной и остаточной конвекции с использованием оптически прозрачных жидкостей, распространения диффузионного фронта в жидких и газообразных средах в условиях микрогравитации и др. [19].
Таблица 1. Основные требования, предъявляемые к КА при разработке направлений текущих и перспективных экспериментов, использующих состояние микрогравитации
№ п/п Направление экспериментов Необходимый уровень микроускорений Время проведения Энергопотребление
1 Биотехнология 10-4 £„ [1, 20] От нескольких десятков от 8 до 200 Вт [21, 22]
минут до трех месяцев [20]
2 Физика жидкости 10-7-10-8 ¿0 [4-6] До 30 суток, типично один-два от 15 до 400 Вт [21, 22]
часа [20]
3 Космическое матери- 10-7 ¿0 [4-6] До трех месяцев [20] от 0.2 до 5 кВт [21, 22]
аловедение
Для исследования многих из вышеперечисленных явлений и процессов очень важно исключить гравитационно-обусловленные явления ввиду того, что они могут искажать наблюдаемую картину, а в отдельных случаях (например, распространение диффузионного фронта в жидких и газообразных средах в условиях микрогравитации) привести к невозможности наблюдения изучаемого процесса. Поэтому явления тепломассопереноса в модельных жидкостях должны также характеризоваться величинами Яа < 0.01. Учитывая то, что вязкость модельных жидкостей может быть существенно меньше, чем вязкость расплавов полупроводников, о которых упоминалось выше, требования по микрогравитационной обстановке должны быть еще выше, чем при проведении экспериментов по выращиванию кристаллов полупроводников, т.е. микрогравитация должна быть не больше Ю^-Ю-^.
Таким образом, перспективные требования к микрогравитационной обстановке на борту космических средств, предназначенных для постановки микрогравитационных экспериментов, а также возможная длительность их проведения таковы:
1. Для экспериментов в области космического материаловедения - продолжительностью до трех месяцев (некоторые сплавы обладают очень медленной
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.