Воздействие глубокого вакуума на материалы и работу систем КА

Материалы лекции № 2.9.

Воздействие глубокого вакуума на материалы и работу систем КА.

*****

Вводные замечания. Воздействие перепадов давления. Утечки газов и жидкостей в космическое пространство. Поведение материалов в условиях космического вакуума (Испарение материалов в вакууме. Влияние вакуума на внешнее трение.). Собственная внешняя атмосфера (СВА) КА. Воздействие молекулярных потоков. Воздействие метеорных частиц и межпланетной пыли.

Приложения:

Приложение 1. Диффузия газов в твердых телах и проницаемость материалов.

Приложение 2. Распыление материалов потоками нейтральных и заряженных частиц.

*****

Вводные замечания.

Давление в атмосфере Земли изменяется от ~ 760 торр на уровне моря до ~ 10^–14 торр. на расстояниях порядка 20000 км (рисунок 2.9.1.). Давление в атмосфере Луны изменяется от ~ 10^–10 торр. днем у поверхности до ~ 10^-12 торр на расстоянии 200 км.

Давление в атмосфере Марса изменяется от 4 ~ 7,5 торр. у поверхности до ~10^–12 торр. на расстоянии 10000 км.

В межпланетной среде среднее статическое давление равно ~10^-11 торр., среднее динамическое давление составляет ~ 10^-11 торр. (рисунок 2.9.1.).

Давление на поверхности движущегося КА отличается от статического давления в космосе на неподвижную (относительно Земли) площадку и является функцией отношения скоростей – аппарата и газовой среды. Это является следствием того, что скорость КА и средняя скорость частиц в космосе могут существенно различаться между собой. При  этом давление на различные части КА неодинаково. Так давление на передние (по вектору скорости) части КА может в несколько десятков раз превышать давление в данной точке космоса на неподвижную площадку, а давление непосредственно за КА может быть на несколько порядков более низким. Поэтому, имеющиеся в литераторе данные по давлениям космического газа представляют собой лишь базовые величины, на основании которых можно производить оценку фактического давления на различные части КА, движущегося в космическом пространстве.

Влияние среды вакуума на космический аппарат, его материалы и системы в основном сводится к следующим процессам:

Ø Нагрузка на конструкцию аппарата, его отдельных герметичных узлов и систем за счет перепада давления;

Ø Утечки используемых системами аппарата газообразных и жидких рабочих тел;

Ø Разгон истекающих или стравливаемых из аппарата газов и жидкостей до высоких скоростей и создание нештатных источников нескомпенсированой тяги;

Ø Переохлаждение поверхностей и элементов устройств, при стравливании криогенных компонентов топлива;

Ø Испарение материалов конструкции ЛА и его систем, возгонка покрытий, красок и смазок;

Ø Образование собственной внешней атмосферы вокруг КА, вызывающей загрязнение оптических поверхностей и другие эффекты;

Ø Усиление адгезии и трения деталей и узлов механизмов;

Ø Электрический пробой, коронный разряд и другие электрофизические явления;

Ø Ухудшение отвода тепла от тепловыделяющих элементов из-за отсутствия конвективного теплообмена.

2.9.1. Воздействие перепадов давления.

Нагрузки от перепадов давления в вакууме достигают значительных величин, а именно – 10⁵ н/м² и более. Любое абсолютное давление в замкнутых объемах: баках, кабине экипажа, герметичных отсеках и боксах, в корпусах отдельных приборов и устройств, контактирующих с космическим пространством – является избыточным по отношению к космической среде. Это давление не только нагружает конструкцию ЛА и, прежде всего, его корпус, но может быть использовано, как положительный фактор при отбрасывании элементов конструкции КА, потребность в которых минула, например обтекателей последней ступени и т. п.

2.9.2. Утечки газов и жидкостей в космическое пространство.

Утечки газов в космическое пространство происходят не только