КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 3, с. 248-256
УДК 538.975:53.082.53
ВЛИЯНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК КОНДЕНСАТА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РАБОЧЕГО ТЕЛА ЭРД НА ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ © 2014 г. А. А. Чиров
Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет), г. Москва
chirojf@mail.ru Поступила в редакцию 17.07.2012 г.
В статье содержатся материалы экспериментальных исследований по определению степени влияния тонких пленок конденсата цезия, как модельного рабочего тела электроракетных двигателей и некоторых энергетических установок КА, на интегральные оптические коэффициенты терморегу-лирующих покрытий КА. В работе использовалась модернизированная автором методика регулярного теплового режима тонкой металлической пластины. Результаты измерений показали, что пленки толщиною 100—1000 ангстрем могут значительно ухудшить интегральные оптические коэффициенты ТРП и тем самым нарушить тепловой баланс некоторых систем КА.
Б01: 10.7868/80023420614030030
ВВЕДЕНИЕ
Известны факты использования и в ближайшем будущем найдет применение в электроракетных двигателях и в некоторых энергетических установках металлическое рабочее тело (Ы, Щ, Сё, Сб и др.). Выброс такого рабочего тела в окружающую КА среду может привести к осаждению его малой доли на функционально важные внешние поверхности КА. Образовавшиеся тонкие пленки металлического рабочего тела (толщиною от нескольких десятков до нескольких тысяч ангстрем) способны существенным образом изменить оптические характеристики внешних поверхностей КА:
1) терморегулирующих покрытий (ТРП), при этом нарушается тепловой баланс КА;
2) оптических приборов — дают сбои система ориентации стабилизации КА и оптическая научная аппаратура;
3) защитного стекла поверхностей солнечных батарей — снижается энерговооруженность КА.
В ранее опубликованной работе [1] были представлены экспериментальный метод и результаты измерений критических условий конденсации металлического рабочего тела ЭРД (Сб) для конкретных реальных материалов внешних поверхностей КА. Полученные в указанной работе результаты позволяют оценить не только возможность конденсации, но и толщины пленок конденсата, которые могут образоваться в конкретных ситуациях.
Факт присутствия конденсата металлического рабочего тела на поверхностях КА еще не говорит о негативном влиянии выброса рабочего тела ЭРД или дренажной системы бортовой энергоустановки на функционально важные системы КА, в частности, на оптические свойства ТРП и оптических приборов. Важно знать степень этого влияния.
Расчетным путем определить степень влияния тонких металлических пленок на оптические коэффициенты реальных материалов внешних поверхностей КА практически невозможно. Особенно эта задача усложняется в случае островко-вой структуры пленок, которая может иметь место для конденсата металлов с низкой температурой плавления.
В то же время следует отметить, что экспериментальные данные по оптическим свойствам тонких пленок металлических рабочих тел, в частности Сб, Ы, Щ, Сё и т.п., в литературе отсутствуют. Поэтому, для определения степени изменения оптических свойств ТРП поверхностей КА, при конденсации на них тонких пленок металлического рабочего тела, экспериментальные методы автору показались актуальными.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МЕТОДА РЕГУЛЯРНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ А, И е ПОВЕРХНОСТЕЙ
Интегральные коэффициенты поглощения солнечного света А5 и теплового излучения (сте-
пени черноты) в полусферу е можно определять прямыми и косвенными способами.
Существующие приборы и методики для измерения Л5 и е различных поверхностей [2] обладают достаточно высокой точностью и относительно просты в реализации. Но эти приборы и методы обладают рядом существенных недостатков. С их помощью нельзя исследовать изменения Л5 и е поверхностей образцов в результате осаждения на них химически активных веществ. К тому же все методы определения Л5 и е позволяют получать эти коэффициенты принципиально раздельно, т.е. в различных экспериментах и на различных установках. В лучшем случае можно получить в одном эксперименте их отношение А/е.
Этими недостатками не обладает экспериментальный метод, описанный в работе [3]. Метод относится согласно классификации, приведенной в работе [2], к методу регулярного теплового режима третьего рода. Автором данной статьи осуществлена модернизация указанного метода и сам метод реализован в лабораторных условиях.
Теоретические основы метода измерений Л5 и е изложены в работе [3]. Этот метод основан на использовании тонких металлических моделей (пластин), предполагаемых изотермическими, которые помещаются в вакуумную камеру в условия, исключающие какой-либо теплообмен с окружающей средой кроме лучистого. Одна из поверхностей металлической пластины подвергается воздействию постоянного светового излучения от внешнего источника, имитирующего Солнце. После установления равновесной температуры То пластины производится периодическое изменение интенсивности падающего излучения по синусоидальному закону. Схема эксперимента приведена на рис. 1.
Соотношения, по которым на основании измерений соответствующих параметров вычисляются оптические коэффициенты поверхностей пластины Л5 и е, получены из рассмотрения решения уравнения теплового баланса тонкой металлической пластины (1). Это уравнение, впервые записанное Гардоном [4], имеет вид.
1 2
pCp8^ = AsJ(t) + q - 2sctT4,
(1)
где: р — плотность материала пластины; Ср — удельная теплоемкость материала пластины; 8 — толщина пластины; q — фоновые тепловые потоки, поглощаемые пластиной; а — постоянная Стефана-Больцмана; Л5 — интегральная поглоща-тельная способность поверхности (коэффициент поглощения); е — интегральная излучательная способность обеих поверхностей (коэффициент излучения, степень черноты); Т — температура пластины; /(?) — энергетическая облученность,
i
Рис. 1. 1 — камера, 2 — приемник излучения, 3 — пластина, 4 — кварцевое окно, 5 — источник излучения, 6 — самописец.
плотность падающего на поверхность пластины излучения от имитатора Солнца; t — время.
Предполагается, что все физические параметры пластины — р, 8, Ср, As и s являются постоянными величинами. Такое допущение справедливо даже в сравнительно широком температурном диапазоне пластины. Также предполагается некоторой постоянной величиной — q, абсолютное значение которой влияет только на уровень равновесной температуры пластины T0.
Уравнение (1) является нелинейным дифференциальным уравнением и не имеет аналитического решения. Закономерность изменения интенсивности излучения внешнего источника, падающего на поверхность пластины, принимается:
J(t) = J0(1 + k sin ®t), (2)
где J0 — некоторая средняя постоянная величина интенсивности излучения, при которой пластина приобретает равновесную температуру T0; k — коэффициент модуляции излучения источника; ю — круговая частота изменения излучения.
Если величину k выбрать достаточно малой, то будут наблюдаться и относительно малые отклонения температуры пластины T от равновесного значения T0. При этих условиях в уравнении (1) допустимо осуществить замену:
T4 - 4T03T - 3T04. (3)
В результате подстановки выражений (2) и (3) в уравнение (1) последнее преобразуется в линейное и его аналитическое решение имеет вид:
T - T0 = A sin(rnt - ф) + Cexp(—1/0), (4)
где А — амплитуда синусоидального изменения температуры,
A = ■
kJ о
8а T03 [i + (ю0)2 ]
1/2
(5)
3
4
s
С
Рис. 2
С — определяется из начального условия Т = Т0 при г = 0,
_ (£/0/8стГ03)ю9 Л,
С = ^ . (6)
1 + (ю9)2 е
Постоянная времени динамического теплового процесса,
0 = р8Ср/8естГ03.
(7)
— характеризует продолжительность переходного теплового процесса,
ф = аге1§ ю0 (8)
— фазовый угол.
Последний член в решении (4) характеризует переходной процесс. По истечении достаточно большого времени г > 0, с момента начала периодического процесса изменения /(?), последний член в (4) становится пренебрежимо мал по сравнению с первым членом. В связи с этим температура пластины начинает изменяться относительно равновесного значения температуры Т0 по синусоидальному закону, т.е. решение принимает стационарный периодический вид (рис. 2).
Стационарное решение представляет основной интерес с точки зрения данной методики. Заметим, что изменение температуры происходит не в фазе с изменением падающего излучения, а отстает от него на некоторый угол ф. Из выражений (7) и (8) следует, что 1§ф пропорционален круговой частоте падающего излучения и обратно пропорционален е. Запаздывание по фазе ф может изменяться от нуля при постоянном режиме освещения пластины до я/2 — при очень больших частотах ю. Таким образом, путем измерения угла запаздывания ф для заданной ю из выражений (7) и (8) можно определить излучательную способность поверхности пластины е:
е = юр8Ср/8стГ031§ ф. (9)
С другой стороны, как следует из выражения (5), амплитуда изменения температуры пластины зависит отЛ5 и е. Тогда из (5) и (9) получаем:
Л5 = (юр8Ср/к/0)Л ео8ее ф.
(10)
Из выражений (9) и (10) следует, что для определения Л5 и е необходимо знать теплофизиче-ские свойства (р, 8, Ср) исследуемых пластин, а также измерить параметры регулярного теплового процесса — Л, ф, Т0 при задаваемых ю, к, /0.
2. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ Л5 И е
Теплофизические параметры р и Ср образцов реальных материалов, например, пластин, покрытых различными ТРП, как правило неизвестны и это, на первый взгляд, ограничивает возможности рассмотренного метода.
В случаях, когда достаточно знать не абсолютные значения Л5 и е, а относительные, например, интересует изменение оптических коэффициентов для исследуемых образцов ТРП после каких-либо воздействий на поверхность (в частности, напыления на поверхность тонких пленок), автором предлагается следующая методика проведения экспериментов.
Вначале проводятся измерения для "чистого" образца, а затем проводятся измерения для того же образца, но после какого-либо воздействия на поверхность. Причем необходим
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.