КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 5, с. 425-429
Институт прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова Росгидромета, г. Москва
geophys@hydromet.ru Поступила в редакцию 16.10.2006 г.
Рассмотрено поведение собственной атмосферы космических объектов при взаимодействии с потоком набегающих частиц и при изменении ориентации. Показана асимметрия поведения сорбцион-ной пленки по отношению к падающему потоку атмосферных частиц и его угловым характеристикам, а также ее влияние на работу датчиков системы ориентации космического аппарата. Дается рекомендация по нежелательности использования тяжелых газов для технологических операций на космических аппаратах.
РЛСБ: 94.05 Нк
УДК 550.510.535
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ СОБСТВЕННОЙ АТМОСФЕРЫ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
© 2008 г. В. В. Михневич, А. А. Похунков
1. ВВЕДЕНИЕ
Возможность выполнения на космических объектах задач прикладного и научного значения определяется комплексом признаков, в число которых, кроме конструкции летательного аппарата, системы двигательных и др. установок, системы сбора и передачи данных, важное значение имеют свойства околообъектовой среды. Эта среда является "живой" субстанцией, изменяющейся во времени и являющейся неоднородной в пространстве вдоль поверхности космического объекта.
После того, как была осознана значительная роль свойств околообъектовой среды для осуществления программ работ с использованием ракет и спутников. были начаты специальные исследования.
В состав околообъектовой среды могут входить нейтральный и ионизованный газ, жидкие образования, твердые частицы.
В данной работе мы сосредоточим наше внимание на свойствах нейтральной газовой компоненты.
2. ОСОБЕННОСТИ СОБСТВЕННОЙ АТМОСФЕРЫ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показали сложность и многообразие процессов формирования собственной атмосферы объектов (CAO), позволили установить некоторые общие закономерности в изменчивости параметров собственной внешней атмосферы космических объектов, а именно:
1. Характеристики CAO (давление, плотность, состав, скорость осаждения и т.д.) изменчивы во времени и неоднородны в пространстве.
2. Скорость изменения параметров CAO (включая и значение фонового давления, плотности) в начальный период после отделения объекта от Земли характеризует взрывной характер процессов газовыделения, затем скорость уменьшается - обезгаживание происходит значительно медленнее. И, следовательно, экспоненциальный закон, которым с удовлетворительной точностью описываются процессы обезгаживания объектов, имеет разный показатель экспоненты в различные временные интервалы. В этот период значения давления и состав CAO определяются, в основном, десорбцией газа, захваченного поверхностью объекта в атмосфере приземных слоев и от работы выводящей в космос двигательной установки (ДУ).
На орбите значение фонового давления и состав CAO зависят от частоты включения ДУ, характера герметизации объекта, используемых конструкционных материалов, от траектории движения и ряда других факторов.
3. При включении двигательной установки давление (плотность) CAO может в период работы изменяться на несколько порядков.
4. Пространственная неоднородность параметров CAO вдоль конструкции объекта значительна, определяется расположением газовыделящих агрегатов, конструктивных элементов аппарата, приводящих к анизотропному распределению де-сорбируемых и падающих на поверхность потоков, выбором конструкционных материалов.
5. Динамические операции на орбите, сопровождающиеся изменением взаимного расположения элементов конструкции объекта (поворот солнечных батарей, включение двигателей систем ориентации, работа бытовых и стыковочных шлюзовых устройств), изменение общей конструкции объек-
Таблица
P,
Равновесие, сек
мм рт. ст. Aзот Водород Эпизон
10-3 0.012 0.01
10-6 11.9 7.0
10-9 466.6 56.0
10-11 4.5 ■ 105
та вследствие, например, состыковки с транспортным кораблем, приводят к значительному изменению величин и пространственного распределения параметров CAO.
6. Выход и работа космонавтов в открытом пространстве, обеспечение жизнедеятельности человека на пилотируемых станциях также вызывает изменение параметров CAO.
Формирование свойств собственной атмосферы объектов происходит как в результате вышеперечисленных процессов, характеризующих внутреннюю жизнь объекта, так и под внешним воздействием.
Спутник, движущийся в околоземном космическом пространстве (ОКП) в условиях изменяющейся плотности, состава и температуры верхних слоев атмосферы, при изменчивости электрического и магнитного полей, подвергается облучению Солнцем, электронной и ионной бомбардировке.
В результате внешних воздействий в околообъектовой среде, подобно атмосфере Земли, происходит комплекс физических и химических процессов: ионизация, возбуждение молекул газа CAO, свечение, обменные реакции.
Одновременно с эффектами в CAO внешнее воздействие на поверхность объекта (электронная и ионная бомбардировка, облучение) приводят к усилению десорбции, электризации и возникновению электрических полей, изменению физических характеристик поверхности.
Взаимодействие с окружающей объект атмосферой Земли также формирует свойства CAO и поверхности объекта. Влияние тех или иных источников воздействия на свойства CAO сложным образом меняется в зависимости от режима работы, траектории движения объектов, активности ^лнца.
Aбсолютные значения параметров CAO (давление, плотность, состав, скорость осаждения массы, пространственно-временная изменчивость и т.д.) являются сугубо индивидуальными характеристиками объектов для фиксированных значений времени и гелиогеофизической обстановки. Oни не могут быть прямым образом перенесены на другие объекты.
Ввиду того, что некоторые основные данные о свойствах CAO применительно к тому или иному объекту приведены в различных публикациях, в данной работе остановимся на более детальном рассмотрении особенностей изменения параметров CAO при взаимодействии атмосферного газа Земли с поверхностью движущегося в околоземном пространстве объекта.
3. ЭФФЕКТЫ, ВЫЗВАННЫЕ ВНЕШНИМИ ИСТОЧНИКАМИ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Рассмотрим некоторые особенности взаимодействия атмосферы Земли с поверхностью вращающегося спутника. Характер взаимодействия газа с поверхностью тел определяется законами хемосорбции и физической сорбции. В случае хе-мосорбции происходит структурное, химическое изменение поверхности, при физической адсорбции захваченный газ удерживается поверхностью силами Ван-дер-Ваальса.
Хемосорбция характеризуется более сильными связями между газом и материалом, чем физическая адсорбция.
Для изучения особенностей взаимодействия газа с поверхностью используем уравнение кинетики физической, мономолекулярной адсорбции Ленг-мюра для открытой поверхности [1]: vod6/dt = = ац(1 - 6) - v9, где vo - число молекул газа в сплошном монослое на 1 см2 поверхности; ц - число молекул, ударяющихся об 1 см2 поверхности в секунду; а - коэффициент аккомодации; 6 - доля поверхности, покрытая адсорбированными молекулами; v - число молекул, испаряющихся в сек. с 1 см2 поверхности, полностью покрытой адсорбированными молекулами.
Время, за которое достигается сорбционное равновесие:
t = 6.9/(3.52 ■ 1022P/v0jMT + exp(-AH/RT)),
где AH - теплота адсорбции, P - давление газа, M -молекулярный вес, R - газовая постоянная, T - абсолютная температура.
Время установления равновесия между падающим на поверхность и испаряющимся с поверхности газом зависит от рода газа, его давления и температуры, а также от температуры материалов поверхности и их свойств.
^рбционное равновесие достигается для легких газов быстрее, чем для тяжелых.
Например, при давлении паров смазки эпизон "L" (C30H62, M = 422 ), P = 10-11 мм. рт. ст. при температуре газа и поверхности 20°C равновесие устанавливется только через 126 часов, а для водорода - 100 секунд (см. таблицу).
При давлении падающего газа, большего чем 10-4 мм. рт. ст., время установления равновесия меньше 1 секунды. Время установления для пори-
KOCMà4ECKàE ИCCЛEДOВAНИЯ том 46 < 5 2008
9(0 ê
t, сек
9(t) ê 1
10-
10-
750
850
950 t, сек
Рис. 1. Влияние периода вращения (т) на формирование адсорбционной пленки. Рн - равновесное значение при напорном давлении, Рд - при донном давлении.
Рис. 2. Влияние температуры газа и температуры поверхности на адсорбционную пленку: 1 - Тп = 355 К и Тг = 355 К; 2 - Тп = 355 К и Тг = 2000 К; 3 - Тп = 1000 К и Т
: 355 К; 4 - Тп = 1000 К и Т„ = 2000 К.
стой поверхности значительно превышает эту величину для открытой поверхности. Диффузия газа через каналы материала поверхности происходит медленно.
Учитывая вышеизложенное, целесообразно рассмотреть некоторые результаты изучения взаимодействия газа с поверхностью вращающегося космического объекта.
Исходные предположения: основной процесс -физическая адсорбция по закону Ленгмюра; объект вращается вокруг свой оси с заданной скоростью, значение давления падающего потока является функцией угла атаки и изменяется от напорного до донного вакуума (Р = /(6)).
При скорости движения объекта по орбите =8 км/сек давление падающего потока на площадку от напорного до донного вакуума изменяется на много порядков (>10) [3].
Проведенный численный эксперимент дал возможность получить представление о характере взаимодействия газа с поверхностью объекта в случае физической адсорбции, в том числе о зависимости образования сорбционной пленки от периода вращения объекта, от температуры и состава газа падающего потока, от температуры поверхности объекта [2].
Дальнейший анализ результатов расчетов будет проводиться соотносительно равновесных состояний, когда число падающих на поверхность и уходящих ("испаряющихся") от поверхности частиц одинаково, и , следовательно, не происходит на поверхности поглощения или выделения, приводящих к изменению параметров собственной атмосферы объекта.
При скорости вращения объекта, когда период обращения соответствует времени установления
равновесия, процессы на поверхности не показывают влияния на CAO. Однако по мере увеличени
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.