Министерство образования Республики Беларусь
Белорусский государственный университет информатики и
радиоэлектроники
кафедра РЭС
РЕФЕРАТ
на тему:
«Испытание ЭС на воздействие ультранизких давлений, криогенных температур. Специальные виды космических испытаний»
МИНСК, 2008
Воздействие ультранизких давлений
Испытание ЭС на воздействие ультранизких давлений проводят для определения способности материалов и элементов ЭС сохранять при таких давлениях свои параметры в пределах, указанных в НТД, а также для проверки правильности принятых схемных и конструктивно-технологических решений. Испытание осуществляют в глубоком вакууме. Минимальная продолжительность испытания равна (или несколько превышает) времени установления стационарного исследуемого процесса или явления. Ориентировочные значения давлений, необходимые для воспроизведения в лабораторных условиях основных физических явлений, происходящих в космосе, приведены в табл. 1
Материалы, узлы, элементы, а также ЭС в целом подвергают испытаниям в вакуумных установках. Современная вакуумная испытательная установка — сложная система, в состав которой входят: вакуумная камера с системой трубопроводов, разнообразные насосы, вакуумметры, термометры, расходомеры криогенных жидкостей, емкости и баллоны с криогенными жидкостями, регуляторы, клапаны и краны, электроприводы, блоки контрольно-измерительной и управляющей аппаратуры.
Параметры вакуумных испытательных установок: рабочий объем камеры от 0,2 м3 (для малогабаритных установок) до 134 000 м3 (установка центра им. Арнольда, США, для испытания космических кораблей); минимальное давление до 10-12 Па; коэффициент возврата молекул Z0~10-2 ...10-2 . Вакуумные испытательные установки различаются также по следующим параметрам: составу остаточных газов; виду откачивающих насосных систем (масляная, безмасляная, парортутная и т.д.); скорости откачки камеры; неравномерности распределения давлений, потоков частиц и температур по объему и внутренней поверхности камеры; диапазону рабочих температур; времени выхода на рабочий режим; производительности и сроку службы.
Многие молекулы газа, покидая поверхность исследуемого объекта, отражаются от стенок испытательной установки и возвращаются на объект. Это происходит многократно до тех пор, пока молекулы не будут захвачены стенками. Отношение числа молекул, возвращающихся на объект в единицу времени, к числу молекул, покидающих его, называют коэффициентом возврата молекул (Z0).
В вакуумных испытательных установках в зависимости от наибольшего давления запуска (максимального давления во входном сечении насоса, при котором он может начать работу) и предельного остаточного давления в вакуумной камере используют насосы предварительной, основной и вспомогательной откачки. Одновременно используют несколько типов насосов из-за избирательной откачной способности насоса каждого типа к удалению различных паров и газов. Наиболее часто применяют комбинацию турбомолекулярного и ротационного (для предварительной откачки) насосов; цеолитового и диффузионного с ловушками на жидком азоте для защиты от миграции паров масел; титанового сублимационного, криогенного, гетероионного или магнитного электроразрядного (для основной и вспомогательной откачки.
Таблица 1 ориентировочные значения давлений, необходимые для воспроизведения основных физических явлений в космосе, при испытании ЭС в лабораторных условиях
| Вид испытания | Давление, Па |
| Проверка механической прочности и герметичности корпусов ЭС при воздействии перепада давлений | ~103 |
| Проверка на отсутствие воздушного демпфирования конструкции ЭС при вибрации | ≤10-1 |
| Проверка теплового режима ЭС при теплопередаче излучением | ≤10-2 |
| Влияние электрических зарядов, утечек, ионизации на работоспособность ЭС | ≤10-3 |
| Исследование физических свойств конструкционных материалов (прочности, ползучести, внутреннего демпфирования) | ≤10-4 (в зависимости от давления насыщенных паров исследуемых материалов) |
| «Холодная» сварка | <10-5 |
| Излучение процессов испарения и сублимации материалов и их переконденсации | Длина свободного пробега молекул должна быть больше характерного размера установки |
| Исследование адсорбции и химического взаимодействия остаточных газов с поверхностью материалов | <10-5...10-12 |
| Проверка узлов трения | <10-5...10-12 |
По принципу действия вакуумные насосы делятся на проточные и сорбционные. Проточные насосы удаляют газ из откачиваемого объема. В сорбционных газ обычно остается внутри насосов в связанном виде на сорбционных поверхностях или подповерхностных слоях; скорость откачки пропорциональна площади сорбирующей поверхности; предельное остаточное давление зависит от процессов десорбции.
По назначению вакуумные насосы делятся на форвакуумные (для создания в системе низкого и среднего вакуума при наибольшем давлении запуска 1-10 Па) и высоковакуумные (для создания высокого и сверхвысокого вакуума).
Иногда между ними ставят промежуточный (бустерный) вакуумный насос. Форвакуумными насосами производят начальное вакуумирование установок, т. е. снижение давления от 1,33-10 Па примерно до 10-1 Па. По достижении требуемого давления эти насосы отключаются и начинают одновременно работать насосы основной и вспомогательной откачки (в диапазоне давлений 10-3... 10-12Па).
Основную откачку вакуумной установки осуществляют обычно криогенными насосами (примерно до 10-12 Па), обеспечивающими огромную скорость откачки, низкий коэффициент возврата, а также остаточный газ, приближающийся по составу к газу в космосе. Эти насосы изготовляют в виде криорешеток различной конфигурации, охлаждаемых специальными хладагентами. Эффективным технологическим способом, облегчающим получение ультранизких давлений, является прогревание установок с целью усиленного газоотделения из их отдельных частей. Прогревают, как правило, малогабаритные и иногда среднегабаритные установки.
Для вспомогательной откачки раньше применялись исключительно паромасляные диффузионные насосы. Однако у них есть существенный недостаток — наличие обратного потока паров масла из насоса в рабочую камеру испытательной установки. Создание ловушек, охлаждаемых жидким азотом, только уменьшает, но не исключает поступление в камеру масляных паров. В космосе такие пары отсутствуют. (Поэтому возникла необходимость применения так называемой «безмасляной» откачки, т. е. откачки насосными системами, не использующими масла и другие органические продукты. В качестве насосов вспомогательной откачки служат криосорбционные и ионные насосы.
Для измерения давления газов ниже атмосферного применяют вакуумметры, действие которых основано на использовании различных физических закономерностей, прямо или косвенно связанных с давлением газа. Так как диапазон давлений в вакуумных установках очень широк (от атмосферного до 10-12 Па), то существуют вакуумметры различных типов: механические, термопарные, ионизационные и др.
Вакуумметры обычно состоят из двух частей: манометрического преобразователя и измерительной установки. Преобразователи вакуумметров имеют неодинаковую чувствительность к различным газам. Если преобразователь проградуирован по воздуху, а применяется для измерения давления других газов, необходимо учитывать относительную чувствительность:
R = Кг/Кв, (1)
где Кг — чувствительность преобразователя к данному газу; Кв — чувствительность к воздуху.
Вакуумметры измеряют общее давление газов, присутствующих в вакуумной системе. Однако при оптимизации вакуумных технологических процессов и проведении испытаний ЭС требуется измерять не только общие, но и парциальные давления остаточных газов.
Работа измерителей парциальных давлений (ИПД) основана на принципе ионизации молекул газа и разделении положительных ионов в зависимости от отношения массы к заряду иона (m/q). По характеру используемых электромагнитных полей ИПД можно разделить на статические и динамические. В статических приборах используют постоянные, а в динамических - переменные электромагнитные поля.
Измерители парциальных давлений (как и общих) характеризуются нижним и верхним пределами измеряемых давлений, чувствительностью, а также присущим только им параметром — разрешающей способностью. Под разрешающей способностью ИПД понимают отношение массового числа иона Meк наименьшему различаемому его изменению ΔМе:
ρm = Ме/ΔМе, (2)
где Me=M/nq;
М - молекулярная масса иона, а.е. м.; т - число элементарных зарядов. Экспериментально ρm определяют с помощью масс-спектрометра.
Воздействие криогенных температур
Испытание ЭС на воздействие криогенных (ниже 120 К) температур проводят с целью проверки устойчивости параметров изделий при низких температурах. Криогенные (охлаждающие) системы, предназначенные для испытания, входят в состав термовакуумных испытательных установок с многоступенчатой откачной системой и включают следующие элементы:
• собственно криокамеру (или криостат), т.е. конструкцию с рабочим объемом, в котором непосредственно размещается испытываемый объект (образец) и происходит его охлаждение (в криокамере — парами хладагента или охлажденным газом, в криостате — жидким хладагентом) до заданной температуры;