5. ВЫРАБОТКА НАУЧНО ОБОСНОВАННЫХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВО ВРЕМЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАБЕГАЮЩЕГО ПОТОКА АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА
В проведенных в 2006-2008 гг. работах исследовались эффекты влияния АК на характеристики полей загрязнений в окрестностях КА, на средства контроля загрязнений и на конденсацию загрязнений на окружающих участках поверхности.
Анализ результатов исследований позволяет сформулировать следующие рекомендации по мерам снижения загрязнения оптических поверхностей при эксплуатации в условиях воздействия АК.
1. Рекомендации по выбору материалов наружных поверхностей.
Наибольшую опасность в условиях воздействия АК представляют кремнийсодержащие компоненты СВА. Источником этих компонентов СВА являются кремнийорганические полимеры и силикаты покрытий, эмитирующие продукты разложения при взаимодействии с АК. Хотя для этих материалов характерны существенно меньшие унос массы и выделение летучих продуктов при действии АК по сравнению с углеводородными полимерами, но эти кремнийсодержащие продукты при осаждении на поверхности в присутствии АК образует стойкие малопрозрачные слои оксидов кремния. Эти слои ухудшают оптические свойства поверхности, что может приводить к ухудшению характеристик устройств и покрытий. В противоположность этому углеродсодержащие продукты эрозии углеводородных полимеров хотя и образуют более плотные потоки в СВА, но менее опасны при осаждении в условиях воздействия АК. Как показали эксперименты, образующиеся из них слои загрязнений легко окисляются в газообразные оксиды углерода и уносятся с поверхности, которая таким образом очищается.
Исходя из этих данных, следует минимизировать применение кремнийорганических материалов на участках, находящихся в прямой видимости оптических элементов.
При необходимости применения таких материалов следует проводить их предварительную обработку. В этой связи стандартную термовакуумную процедуру целесообразно дополнить экспозицией рабочей поверхности материала в потоках атомарного кислорода или плазмы. Эта операция обеспечит протекание в поверхностных слоях реакций конверсии кремнийсодержащих полимерных цепей в слой оксидов кремния с улетучиванием непрореагировавших с АК остатков. В результате поверхность приобретает повышенную стойкость к АК и в условиях бомбардировки атомами набегающего потока эмиссия продуктов эрозии существенно снижается.
Следует также учитывать возможность ионизации продуктов эрозии, распространение которых в окрестностях КА происходит по сложным траекториям вдоль силовых линий электрических полей. Для предотвращения загрязнения поверхности оптических элементов ионизованными продуктами СВА следует выбирать материалы с высокими потенциалами ионизации образующихся при эрозии фрагментов.
2. Рекомендации по размещению оптических элементов на КА
Благодаря тому, что СВА представляет собой высоковакуумную среду, молекулы загрязнений распространяются в виде молекулярных потоков, исходящих из источников их образования. Поэтому оптические элементы рекомендуется располагать в тени конструкций из менее загрязняющих материалов или закрывать их экранами от прямых потоков загрязнений.
При оценке путей распространения молекулярных потоков и конфигурации защитных экранов следует учитывать также и вторичные потоки, переотраженные от элементов конструкции КА.
Для защиты оптических элементов от загрязнений целесообразно применять постоянные и временные экраны и крышки, приводимые в действие в критической обстановке.
3. Рекомендации по применению бортовых средств контроля
При выборе бортовых средств контроля загрязнений для работы в условиях воздействия АК, например на низкоорбитальных КА, необходимо предпочитать образцы, у которых чувствительные элементы выполнены из материалов, инертных к АК. Это предотвращает влияние окисления чувствительных элементов на показания средства измерения. Так, осцилляторные кварцевые микровесы должны быть снабжены кварцевыми резонаторами с позолоченными электродами. Применение в весах для контроля осадка загрязнений стандартных резонаторов с серебряными электродами, как например в стандартных приборах КМВ, недопустимо, т.к. приводит к тому, что прибор измеряет не количество осевших загрязнений, а массу кислорода, поглощенного при окислении.
При интерпретации данных, полученных с помощью средств контроля загрязнений, следует учитывать влияние АК. Для таких средств контроля загрязнений как кварцевые микровесы и собирающие зонды, принцип действия которых основан на анализе депозита на их рабочей поверхности, результат измерений может существенно зависеть от флюенса АК, полученного поверхностью. Как показали полетные и лабораторные эксперименты, воздействие АК приводит к очистке поверхности от слоев углеродсодержащих веществ. Поэтому слои углеводородов, осевшие на поверхность, например вследствие распыления полимерных покрытий во время работы бортового электроракетного двигателя ориентации, могут сохраняться на поверхностях, затененных от АК, но удаляться с открытых действию АК элементов. Таким образом, анализ данных средств контроля должен приводиться в соответствием с распределением поверхностей относительно набегающего потока.
4. Рекомендации по снижению загрязнений от электрически заряженных компонент СВА
Для снижения загрязнения оптических поверхностей ионизованными и электризованными продуктами СВА необходимо применение комплекса мер по исключению дифференциального заряжания участков поверхности КА и снижению потенциала КА относительно окружающей плазменной среды. Основанием для выбора и реализации указанного комплекса мер является трехмерное математическое моделирование электризации КА с учетом его конфигурации, расположения и свойств материалов поверхности, работы бортового плазменного оборудования, включая электроракетные двигатели.
Для снижения загрязнения ответственных элементов оптических систем следует применять локальную электростатическую защиту с помощью отклоняющих систем или комплекта металлических сеток.
5. Рекомендации по математическому моделированию СВА на стадии проектирования КА
На стадиях проектировании и отработки КА следует проводить трехмерное математическое моделирование распределения и переноса продуктов СВА в окрестностях КА с учетом прямых и отраженных потоков частиц СВА. На основании результатов математического компьютерного моделирования определять зоны и элементы конструкции, как создающие загрязнения, так и наиболее подверженные загрязнениям. При выборе способов и технических средств защиты использовать полученные данные.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проведения намеченных календарным планом работ по исследованию влияния набегающего потока атомарного кислорода на конденсацию продуктов СВА и на средства контроля загрязнений получены следующие результаты.
1. Проведенный анализ данных полетных экспериментов показал, что загрязнения поверхности КА, содержащие углерод и кремний, образуются локально на участках поверхности, на которые одновременно воздействуют набегающий поток АК и молекулярные потоки, возникающие при эмиссии летучих продуктов из органических и кремнийорганических полимерных материалов. Эти загрязнения могут быть окрашены и обладают светопоглощением.
2. Выполненные в данной работе эксперименты по осаждению загрязнений на стеклянные образцы в условиях воздействия потоков кислородной плазмы, имитирующих набегающий поток АК, показали, что наличие АК, может приводить в зависимости от природы источника загрязнений, как к уменьшению, так и к увеличению прозрачности слоев загрязнений. Присутствие кремния в слоях осадка защищает окрашенные органические слои от очищающего воздействия АК, наблюдающегося в слоях, свободных от кремния.
3. На примере материалов, используемых на отечественных КА в качестве герметиков: кремнийорганического типа ВПО-1 и эпоксидного типа К-115, экспериментально показано, что в условиях воздействия АК, испускаемые силиконами загрязнения образуют слои, существенно уменьшающие прозрачность оптических поверхностей, причем степень уменьшения возрастает при увеличении времени экспозиции. В тех же условиях загрязнения от органических полимеров почти полностью удаляются с поверхности.
4. Влияние потока АК на средства контроля загрязнений рассмотрены на примере кварцевых микровесов КМВ, которые использовались на КА для этой цели. Экспериментально показано, что электроды кварцевых резонаторов, выполненные из серебра, интенсивно окисляются рассеянным АК. При этом приращение массы образующегося оксида маскирует увеличение массы загрязнений, что не позволяет использовать весы такой конструкции в качестве средства контроля загрязнений в условиях воздействия АК.
5. На основе анализа результатов, полученных в проведенных в 2006-2008 гг. НИР и с учетом литературных данных сформулированы рекомендации
по мерам снижения загрязнений оптических элементов во время эксплуатации в условиях воздействия набегающего потока атомарного кислорода.
Рекомендации касаются выбора материалов наружных поверхностей КА, размещения оптических элементов на КА, применения бортовых средств контроля загрязнений, защиты от электрически заряженных продуктов СВА, математического моделирования СВА.
5. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ
1. Модель космоса: научно-информационное издание: в 2 т. Под ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова. Т.2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов.-М.: КДУ, 2007, 1144 с.
2. B. Blakkolb, L. E. Ryan, H. S. Bowen and T. J. Kosic. Optical Characterization of LDEF Contaminants // Proceedings of the 2nd LDEF Post-Retreival Symposium, San Diego, California, June 1-5, 1992, pp. 1035-1040.
3. W.K. Stuckey. An Overview of the On-Orbit Contamination of the Long Duration Exposure Facility (LDEF) // LDEF Results for Spacecraft Applications, NASA CP-3257, Huntsville, AL, October 27-28, 1992, pp 533.
4. M. Lee, W.D, Rooney, and J.B. Whiteside. An XPS Study of Space-Exposed Polyimide Film. // LDEF-69 Months in Space: Second LDEF Post-Retrieval Symposium, NASA CP-3194, Part 3, San Diego, CA, June 1-5, 1992, pp 957.
5. Shalin R. E., Minakov V. T., Deev I. S., Nikishin E.F. Study Of Polimer Composite Speciments Surface Changes After The Long-Term Exposure In Space // Proc. Of 7 th Intern. Symp. On Materials in Space Environment. Toulouse. France. 16-20 June 1997. ESA SP-399. P.375-383.
6. B. A. Banks, K. K. de Groh, S. K. Rutledge and C. A. Haytas. Consequences of Atomic Oxygen Interaction with Silicone and Silicone Contamination on Surfaces in Low Earth Orbit. // NASA Technical Memorandum 1999-209179, Proceedings of the 44th Annual Meeting of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Denver, Colorado, July 18-23, 1999.
7. Chernik V.N. Atomic oxygen simulation by plasmadynamic accelerator with charge exchange // Proc.7th Int.Symp.Materials in Space Environment. Toulouse, SP-399, 1997, p. 237-241.
8. ASTM. Standard Practics for Ground Laboratory Atomic Oxygen Interaction Evaluation of Material for Space Applications. Designation E 2089-00, June 2000.
9. Разработка методов исследования структуры и состава загрязнений
на поверхности экспонированных в космосе материалов. Отчет по договору 75-06. НИИЯФ МГУ, 2006.
|
