2. АНАЛИЗ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА КА ПО ПОЛЕТНЫМ ДАННЫМ
При анализе загрязнений использовались данные, полученные при проведении ряда полетных экспериментов на российских и зарубежных КА. В этих работах исследования состава загрязнений на поверхности КА проводилось путем анализа поверхности возвращаемых на Землю образцов.
В американском полетном эксперименте на LDEF на некоторых участках поверхности были обнаружены осадки светло-бурого цвета. Эти пятна расположены рядом с отверстиями в металлических стенках и по форме отображают следы попадания на поверхность молекулярных потоков, истекающих из отверстий. Анализ состава этих загрязнений показал наличие в среднем 73 ат.% углерода, 19 ат. % кислорода, 4 ат. % кремния. [2]. Их возникновение объясняется, как результат конденсации молекул силоксанов, испускаемых красками и герметиками внутренних полостей и выходящих через отверстия при одновременном воздействии набегающего потока АК. Осадки имели многослойную структуру (до 34 слоев), причем толщина слоев закономерно уменьшалась от нижних слоев к верхним. Нижние слои образовались на начальном этапе полета, когда поток обезгаживания был высок, а поток АК низок из-за большой высоты орбиты. В заключительной части полета, обезгаживание материалов почти завершилось. Вследствие этого поток загрязнений уменьшился, зато из-за уменьшения высоты вырос поток АК. Эти данные показывают, что существует зависимость процесса конденсации загрязнений от соотношения потоков загрязняющих молекул и АК. Чем ниже поток силиконов и углеводородов, при одинаковом потоке АК, тем более тонкие, более полно окисленные и более прозрачные слои образовывались на поверхности LDEF.
Эксперимент на LDEF показал наличие заметного количества Si и C в поверхностных загрязнениях, отсутствующих в предполетных измерениях [3]. Углерод обнаружен в тонких слоях в десятки нм, осаждающихся на участках, затененных от АК, либо под слоем кремний содержащих загрязнений. На остальных участках, подвергшихся воздействию АК, углерод не обнаруживается благодаря его окислению в летучие оксиды. Изучение поверхности головок крепежных болтов из нержавеющей стали показало наличие распределения органических загрязнений вокруг LDEF. На поверхности болтов на некоторых участках процент углерода был выше, чем на всех других, даже не подвергшихся воздействию АК.
Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (электронной спектроскопии для химического анализа) на поверхности различных материалов, первоначально не содержавших кремний, после полета на LDEF обнаружены его количества от 0,1% до 30%. Содержание кремния зависит от местоположения и растет при увеличении экспозиции АК.
На поверхности каптона также обнаружен кремний с содержанием 8,8%, следы которого отсутствовали на контрольном образце [4].
Анализ происхождения загрязнений показал, что источником кремний содержащих продуктов на LDEF являются не только кремнийорганические краски, компаунды, герметики и клеи, но и болты из нержавеющей стали с содержанием кремния от1 до 2%, а также эластомеры в узлах уплотнений.
Исследования в полетных экспериментах на ОКС «Мир» также показали, что на поверхности материалов наружной поверхности, возвращенных на Землю после 1501 суточной экспозиции, обнаруживаются пленки толщиной 100-500 нм, состоящие из кремния или его оксида [5].
Слои кремний содержащих загрязнений обнаружены на панелях солнечных батарей, доставленных с ОКС «Мир» [6]. Измерения толщины осадка на фронтальной стороне показали величины 2-4,8 мкм и в основном состояли из окисленного кремния. При такой относительно большой толщине слоя следует ожидать заметного уменьшения кпд преобразования из-за снижения прозрачности. Однако измерения показали весьма малое уменьшение с 10,51% до 10,4%, что свидетельствует о высокой прозрачности слоя, образующегося при высокой степени окисления кремния в условиях малого потока углеводородов на солнечной стороне батареи.
Согласно принятым в настоящее время представлениям механизм образования слоев кремнийсодержащих загрязнений является многостадийным. В начальный период полета при термо-вакуумном воздействии космической среды происходит выделение летучих низкомолекулярных продуктов из полимеров, в том числе содержащих силоксановые группы (–Si-O-). Эти фрагменты распространяются в виде молекулярных пучков и, попадая на холодную поверхность, конденсируются на ней в форме каплевидных микрообразований. При этом идет и обратный процесс испарения, что приводит к установлению равновесного количества конденсата, зависящего от температуры поверхности. Затем на участках поверхности, облучаемых потоком УФ и/или АК протекают химические реакции полимеризации и сшивки полимерных цепей, а также окисления, приводящие к образованию твердых слоев полимерных пленок и оксида кремния. Наружные слои осадка, не содержащие кремний, при воздействии АК могут окисляться в летучие оксиды, что приводит к очистке поверхности. Однако при образовании слоя оксида кремния на поверхности нижележащих загрязнений очищающее действие АК не проявляется.
Рассматривая влияние таких загрязнений на оптические свойства, следует отметить, что слой депозита часто обладает высоким коэффициентом поглощения в оптическом диапазоне. Это может ухудшить характеристики оптических устройств. Однако эффект уменьшения прозрачности наблюдается только при наличии в осадке наряду с силоксановыми группами также и фрагментов углеводородных цепей. При их отсутствии из силоксановых продуктов под действием АК в ряде случаев образуется прозрачный бесцветный слой оксида кремния. Темная окраска депозита возникает при комбинации SiOx с углеводородными молекулами. Таким образом, с точки зрения деградации оптических свойств на низких орбитах в интенсивных потоках АК, загрязнения из одних силоксановых фрагментов или только из углеводородных молекул менее опасны, чем комбинированные. Первые образуют прозрачные слои, а вторые очищаются набегающим потоком АК. Все же даже прозрачные загрязнения SiOx ухудшают оптические характеристики, т.к. депозит имеет неоднородную структуру, рассеивающую падающий свет.
Таким образом, для КА, функционирующих на низких околоземных орбитах, основными компонентами конденсирующихся загрязнений следует считать углеводородные и кремнийсодержащие молекулы.
Проведенный анализ показывает важную роль АК в образовании слоев загрязнений и модификации их оптических свойств. В связи с этим в данной работе проведены эксперименты по воздействию потока кислородной плазмы на поверхность стекла, облучаемую молекулярными потоками загрязнений, испускаемых полимерными материалами.
|
