Космические условия

Важнейшую роль в обеспечении длительной и безотказной работы электронной аппаратуры (ЭА) в космических условиях играет стойкость элементов н материалов ее конструкции к воздействию факторов космической среды.

Космические условия характеризуются совокупностью воздействий космической среды, к которым относятся: глубокий вакуум, невесомость, температура (чаще сверхнизкая), электромагнитные и корпускулярные излучения, наличие метеорных частиц, магнитных и гравитационных полей планет и звезд и т. д.

Воздействие факторов космического пространства на конструкционные материалы и элементы ЭА происходит на фоне определяющего фактора — давления глубокого космического вакуума, обусловленного сильной разреженностью среды. Глубокий вакуум характеризуется длиной свободного пробега молекул газа l, соизмеримой с характеристическими линейными размерами космического аппарата или испытательной вакуумной камеры.

При изучении параметров космических условий выделяют три среды: межзвездную, межпланетную, атмосферу планет и их спутников.

Межзвездная среда состоит из межзвездного газа и мельчайших твердых частиц — пыли, заполняющих пространство между звездами в галактиках. Газ почти равномерно перемешан с пылью.

Межзвездная среда вблизи Солнца переходит в межпланетную среду.

Межпланетная среда заполняет пространство между планетами Солнечной системы. Она состоит из расширяющегося вещества, солнечной короны (примерно 90% составляют ионизированные атомы водорода и около 9% — атомы гелия), несущего увлекаемое веществом магнитное поле.

Наибольший интерес для нас представляет атмофера Земли (табл. 1) (главным образом ее внешняя часть — экзосфера).

Таблица 1. Изменение параметров атмосферы Земли с высотой

Высота, км	Давление, Па	Плотность, г/см3	Температура, К	Концентрация частиц, см-3	Характеристика вакуума
Уровень моря	1,33·105	1,2·10-3	293	2,7·1019	-
200 300 500	8,5·10-5 1,0·10-5 4,0·10-7	3,0·10-13 2,5·10-14 3,0·10-16	1200 1500 1600	7,0·109 8,0·108 2,5·107	Глубокий
1000 2000 3000 5000	4,0·10-9 8,0·10-10 5,0·10-10 4,0·10-10	1,5·10-18 2,0·10-19 1,0·10-19 4,0·10-20	1600 1800 2000 3000	1,5·105 2,0·104 1,0·104 4,0·103	Очень глубокий
10 000 20 000 30 000 50 000	2,5·10-10 1,0·10-10 2,5·10-11 1,5·10-11	1,0·10-20 2,0·10-21 6,0·10-22 2,5·10-22	15 000 50 000 1·105 2·105	1,0·103 1,0·102 10 3 - 4	Сверх глубокий

На расстоянии от поверхности Земли около 200 км длина свободного пробега частиц газа становится равной нескольким десяткам метров. Часть молекул и атомов, двигаясь в экзосфере (на высоте около 500 км), может иметь скорость, превышающую вторую космическую, и беспрепятственно уходить за пределы атмосферы планеты. Это рассеяние газов в межпланетное пространство называется диссипацией. Большая доля диссипатирующих газов приходится на водород и гелий. В результате активности Солнца и явления диссипации состав и химическое состояние газов существенно меняются (рис. 1,а). Так, на высотах более нескольких тысяч километров частицы газов полностью ионизированы.

Отметим, что температура в табл. 1 характеризует лишь кинетическую энергию частиц газа, которая не оказывает прямого влияния на температуру открытых поверхностей космической ЭА в силу большой разреженности среды.

Основные компоненты атмосферы Луны, масса которой примерно в 81 раз меньше массы Земли, имеют следующие концентрации, част./см³: водород 6,5·10⁴, гелий 4·10⁴, неон 8·10⁴, аргон от 1,1·10⁴ до 4·10⁴. Изменение суммарной концентрации нейтральных частиц в атмосфере Луны приведено на рис. 1,6.

Рис. 1. Зависимость концентраций газов от высоты (расстояния до поверхности) в атмосферах Земли (а), Луны (б) и Mapca (e)

Меркурий, как и Луна, имеет весьма разреженную атмосферу. Значения давлений у поверхностей Меркурия и Луны близки и составляют около 8·10^-8 Па.

Атмосфера Марса, масса которого только в 9 раз меньше массы Земли, менее разрежена по сравнению с атмосферами Луны и Меркурия. Давление газов у поверхности Марса примерно 6,55·10² Па. Изменение концентрации СО₂ — главного компонента атмосферы Марса, составляющего около 95%, представлено на рис. 1,в. На больших удалениях от поверхности СОг диссоциирует на СО и О.

Венера имеет чрезвычайно плотную атмосферу. Основной компонент — СО₂ (примерно 97,4%). Давление у ее поверхности в 90 раз превышает давление у поверхности Земли. Температура вблизи поверхности достигает 500°С.

Юпитер — планета-гигант с очень большой массой. В атмосфере доминирует Н₂, затем следует Не, СН₄, Н₃ и т. д.

Сатурн имеет атмосферу, близкую по составу, как полагают, атмосфере Юпитера.

На Титане была зафиксирована атмосфера, состоящая главным образом из азота с добавками аммиака, метана и других газов.

Плутон, вероятно, имеет атмосферу, состоящую из метана, в 300 раз менее плотную, чем атмосфера Земли.

На обращенную к Солнцу поверхность космического аппарата в окрестности Земли на 1 м² ежесекундно поступает около 1400 Дж энергии, переносимой солнечным электромагнитным излучением. Спектральный состав излучения Солнца приведен на рис. 2. Причем около 9% энергии в спектре излучения Солнца приходится на ультрафиолетовое излучение; 46,1% — на видимое излучение; 44,4% — на инфракрасное излучение; остальное — на рентгеновское и корпускулярное излучение. В инфракрасном и видимом диапазонах энергия отдельных квантов мала, чтобы излучение могло оказывать физико-химическое воздействие на вещество. В то же время эти излучения нагревают элементы и материалы открытой ЭА.

Рис. 2. Спектральный состав электромагнитного излучения Солнца

При уменьшении длины волны λ энергия квантов излучения возрастает и может стать достаточной для разрыва молекулярных связей или появления радиационных дефектов в веществах. Однако с уменьшением λ резко падает интенсивность излучения (рис. 2). Поэтому интегральное воздействие излучения коротковолновой области спектра Солнца уменьшается.

Земля, так же как и другие планеты, посылает на поверхность космического аппарата длинноволновое излучение (тепловой поток), которое обусловлено частичным отражением солнечного излучения облаками, атмосферой и поверхностью Земли и собственным тепловым излучением. На низких орбитах плотность этого теплового потока может достигать 40% плотности потока прямого солнечного излучения, но с увеличением высоты плотность уменьшается.

Тепловые потоки, идущие на космический аппарат от звезд, практически малы. Наконец, энергия излучений участков межзвездного пространства, лишенных каких-либо источников, соответствует температуре 2,7 — 4 К. До такой температуры охладились бы поверхность космического аппарата и, следовательно, ЭА, находящаяся в нем, при отсутствии притока тепла от внешних или внутренних источников.

Рассмотрим теперь воздействие различных корпускулярных излучений, называемых проникающей радиацией.

Помимо солнечного ветра Солнце испускает во время вспышек солнечные космические лучи. В основном это потоки протонов и ядер гелия. Энергия этих частиц во много раз превышает энергию частиц солнечного ветра.

В космическом межпланетном и межзвездном пространствах присутствует также изотропный поток протонов и более тяжелых ядер, приходящий из удаленных областей галактик. Эти виды проникающих излучений характеризуются очень большой энергией частиц, но низкой плотностью потоков частиц.

В начале эры космических исследований были обнаружены радиационные пояса Земли, которые представляют собой относительно стабильные гигантские области скопления электронов и протонов высоких энергий, захваченные и удерживаемые магнитным полем Земли. Радиационные пояса Земли имеют сложную структуру (рис. 3), однако можно выделить две области — внутренний (протонный) и внешний (электронный) пояса. Заряженные частицы радиационных поясов совершают осциляции по спиральным траекториям внутри силовых трубок магнитного поля Земли между зеркальными точками отражения М' и М", лежащими на поверхности с постоянной магнитной индукцией (B=B_м=const) (рис. 4).

Рис. 3. Структура радиационных поясов Земли в меридианальной плоскости: а — линии равной концентрации протонов с энергиями 0,9 и 5 МэВ; б —линии равной концентрации протонов с энергиями 30 и 110 МэВ

Рис. 4. Движение электронов, захваченных радиационным поясом Земли: а — концентрация радиационных поясов; б — меридианальный разрез магнитного поля

На рис. 5 изображены зависимости плотностей корпускулярных потоков от энергии частиц в околоземном и межпланетном пространствах; в табл. 2 приведены характеристики корпускулярных излучений, воздействующих на ЭА в космических условиях.

Метеорные частицы заполняют как межзвездную, так и межпланетную среду. Скорость метеоритов относительно Земли лежит в пределах 12—72 км/с. Относительно Солнца она. не превышает 30—40 км/с. Кинетическая энергия метеорных тел оказывается намного больше энергии, необходимой для их полного испарения. Основные характеристики метеорных частиц приведены в табл. 3

Рис. 5. Зависимость плотности корпускулярных потоков от энергии частиц в околоземном и межпланетном пространствах: ; — взаимодействие поверхностей с набегающим потоком частиц верхних слоев атмосферы; 2 — протоны солнечного ветра; 3 — электроны зон полярных сияний; 4 — электроны радиационных поясов Земли; 5 — протоны радиационных поясов Земли; 6 — протоны солнечных вспышек; 7 — космические лучи галактического происхождения; 8 — протоны в зонах полярных сияний

Метеорные частицы имеют разную плотность, г/см³: железоникелевые около 7,8; каменные 3; рыхлые слипшиеся пылинки 0,5. Следует отметить, что более крупные метеорные частицы имеют более рыхлую структуру. Плотность потока метеорных частиц быстро убывает с увеличением их массы. Для микрометеоров, поперечные размеры которых составляют десятые доли микрометра, а масса около 10^-13г, плотность потока близка к 10^-2 част./(м²·с). Для частиц размером в десятые доли миллиметра плотность потока уменьшается на 6—7 порядков. Поэтому вероятность столкновения космического аппарата с крупными метеорами весьма мала. В истории космонавтики пока не зафиксировано случаев серьезных повреждений космического аппарата и его приборов метеоритами.

Таблица 2. Характеристики корпускулярного излучения

Основная зона радиации	Тип частиц	Энергия частиц, кЭВ	Максимально наблюдаемые плотности потоков, част./(см2·с)
Протоносфера Земли	p	~1	109
Электроносфера Земли	e	~1	109
Внутренний радиационный пояс Земли	p	>100 >30·103 >40·103	108 105 104
Внешний радиационный пояс Земли	e	>100 >600 >1500	108 107 105
Искуственный радиационный пояс Земли	e	>40 >1000 >5·103	109 108 107
Потоки частиц, вызывающие полярные сияния	e p	1-10 ~100	1011-1012 106
Космические лучи солнечного происхождения	p a	>5·103 >5·103	105-106 104-105
Солнечный ветер (спокойное Солнце)	p a	~1,5 ~5	3·108 5·107
Солнечный ветер (вспышки)	p a	5-10 5-20	1010-1014 109-1010
Курпускулярные излучения галактического происхождения	p a Лёгкие ядра (Z=3-5) Средние ядра (Z=6-9) Тяжёлые ядра (Z=10-30)	106-1017 106-1017 106-1017 106-1017 106-1017	3·104 3·103 50 200 40

О б о з н а ч е н и я: р — протоны, е — электроны, а —ионы гелия (Не), Z — порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева.

Таблица 3. Характеристики метеорных частиц

Масса, г	Радиус, мкм	Скорость, км/с	Кинетическая энергия, Дж	Толщина пробиваемого алюминиевого листа, мм
25	49200	28	1,0·107	213
1,95	36200	28	3,98·106	157
1,58	19600	28	6,31·105	84,8
0,25	10600	28	105	45,9
1,58·10-2	4220	28	5,87·103	17,9
2,5·10-3	2290	26	7,97·102	9,17
1,58·10-4	910	23	38,9	3,35
9,95·10-6	362	20	1,83	1,21
3,96·10-8	57,4	15	4,55·10-3	0,164
6,28·10-11	2,51	15	7,21·10-3	0,0191

Влияние космических условий на материалы и компоненты ЭА. В космических условиях все факторы действуют на фоне глубокого вакуума, что ускоряет протекание различных физических процессов и приводит к ряду специфических явлений. Глубокий вакуум способен к поглощению неограниченного количества газов и паров, которые могут выделяться из ЭА в космосе.

В космическом вакууме любой материал выделяет газы и пары, примеси и добавки, адсорбированные на поверхности и абсорбированные в объеме материала. В последнем случае процессу газовыделения предшествует диффузия атомов и молекул к поверхности.

Космический вакуум может вызывать сублимацию поверхностных слоев материалов ЭА. Для материалов открытых поверхностей ЭА, находящейся в космическом вакууме, следует подбирать материалы с низкой скоростью сублимации М_с. Например, толщина пластины из кадмия или цинка уменьшается в год за счет сублимации на 0,1 мм при температуре сублимирующей поверхности T_s=100—150°С. Чтобы получить такое же уменьшение толщины пластины из алюминия, германия, кремния, меди, никеля, ее уже нужно нагреть до 750—1000°С, т. е. эти металлы довольно устойчивы к сублимации.

Потери полициклических полимерных соединений происходят не только путем сублимации и испарения. Главным образом они происходят за счет разложения соединений в более простые летучие вещества.

Массопотери некоторых полимерных материалов в течение 300 сут под действием циклических изменений температуры от —90 до +120°С и облучения Солнца в течение 20 мин в каждом из 4800 циклов составили от 0,1 до 1,9%. Причем у полимерных композиционных материалов волокна наполнителя разрушаются из-за удаления полимерной матрицы. Наблюдается и изменение структуры молекул волокон наполнителя у органостеклотексто-лита.

В результате газовыделения и потерь быстролетучих компонентов при длительном пребывании в условиях разреженной среды могут изменяться свойства, связанные с теплофизическими и диэлектрическими характеристиками материалов ЭА (теплопроводность, электрическая проводимость).

Удаление защитных газовых и оксидных пленок, а также сублимация поверхностных слоев, имеющих толщину, кратную нескольким длинам волн излучения, будут менять шероховатость поверхности и, как следствие, — их оптические характеристики. Совместное действие глубокого вакуума и ультрафиолетового излучения вызывает эффект «отбеливания», в результате чего возрастает отражательная способность поверхности и облегчаются^ условия охлаждения аппаратуры.

В глубоком вакууме почти отсутствует конвективный теплообмен и теплопроводность среды, а обмен тепла с космической средой может происходить только за счет излучения. Кроме того, затруднена передача тепла через соприкасающиеся поверхности частей ЭА из-за микронеровностей поверхности и вакуумных промежутков между ними.

В космических условиях при глубоком вакууме встречаются ситуации, при которых поверхности твердых тел становятся весьма чистыми (вплоть до атомно-чистых, когда на 1000 атомов основного вещества приходится один атом загрязнения). Это приводит к усилению адгезии соприкасающихся материалов, а при наличии пластических деформаций, например при трении, могут возникать явления холодной сварки в точках контакта.

На открытых частях ЭА космических аппаратов появляются поверхностные заряды. Причина их появления — совместное действие корпускулярной и коротковолновой электромагнитной радиации, сверхглубокого вакуума, а также взаимодействие поверхности ЭА с окружающей космический аппарат плазмой. Результатом действия космических условий является образование существенной разности потенциалов между открытыми участками поверхностей ЭА, сильно зависящей с течением времени от изменения положения космического аппарата.

Накопление статических электрических зарядов особенно опасно для работы геостационарных спутников связи с высотой орбиты 36·10³ км. Скорость нарастания потенциала для геостационарного спутника около 10 В/с и возрастает с увеличением размеров спутника. Накопление заряда приводит к электрическому пробою, который дает наибольший уровень помех на частоте около 38 МГц.. Электрическое поле повреждает емкостные элементы изделий, а магнитное поле наводит поверхностные токи, которые сказываются на работоспособности расположенных внутри электронных схем.

Невесомость сказывается на тепловом режиме ЭА косвенным образом — через изменение гидродинамики теплоносителей, процессов кипения и конденсации хладоагентов. Жидкие хладоагенты, не полностью заполняющие емкости, в условиях невесомости стремятся принять сферическую форму, при которой поверхностная энергия имеет минимальное значение. Если материал поверхности не смачивается жидкостью, то будет отсутствовать контакт и условия для теплопередачи ухудшаются, кроме того, в невесомости капли, пузырьки и твердые частицы не будут тонуть или всплывать в жидкости (газе), поэтому возникают трудности с очисткой и выравниванием температур жидкости и назревает серьезная проблема дегазации — удаления пузырьков пара и т. д.

Схема взаимодействия ионизирующего излучения с веществом приведена на рис. 6.

Воздействие проникающей радиации приводит к нарушению кристаллической решетки: радиационно-химическим превращениям, вызывающим диссоциацию молекул; образованию ионизированных, химически активных молекул; образованию центров окраски, определяющих уровень поглощения света и являющихся дефектами кристаллической решетки; возникновению пар Френкеля; радиационному нагреву; радиационной люминесценции.

Рис. 6. Схема взаимодействия космического излучения с веществом

Параграф из книги "Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытатеольное оборудование"
/под ред. А.И.Коробова: Учеб.пособие. - М.:Радио и связь, 1987.-272с.

На главную    В библиотеку    Написать автору сайта