Автономным испытаниям подвергаются отдельные составляющие сложной технической системы – в нашем случае отдельные части или системы КА.

Комплексные испытания проводятся либо для группы непосредственно связанных систем КА, либо для всего КА с целью проверки нормального функционирования систем КА после проведения монтажно-сборочных работ.

Лекции N 2 и 3

Тема лекций: Факторы космического полета, оказывающие влияние на состояние и работоспособность конструкции, оборудования и приборов КА.

Можно выделить следующие 4 характерных этапа эксплуатации КА, отличающиеся особенностями физических факторов, в различных проявлениях действующих на конструкцию, системы, оборудование и приборы КА: 1) пребывание в земных условиях, включая условия на стартовой позиции; 2) участок выведения КА на траекторию полета; 3) пребывание КА в космосе; 4) торможение и спуск КА или его части (CA) в атмосфере планеты.

Рассмотрим последовательно эти этапы.

Пребывание в земных условиях.

В земных условиях на КА воздействуют климатические факторы. К ним относятся:

- повышенная и пониженная температура окружающей атмосферы, которая может изменяться в пределах от - 65 С до + 75 С;

- повышенная или пониженная влажность окружающей атмосферы;

- атмосферное давление и резкие изменения этого давления (бароудар);

- дождь, град, роса, иней;

- атмосферная пыль и песок.

Следует заметить, что в целом для КА климатические факторы существенны лишь для КА многоразового использования. Для обычных КА, выводимых в космос под обтекателем, на всех стадиях подготовки к запуску, включая и доставку на полигон в монтажно-испытательный корпус, принимаются меры по исключению влияния на них климатических факторов. Климатические испытания могут проводиться лишь для некоторых агрегатов и приборов, исходя из особенностей доставки их к местам установки на изделие.

Участок выведения КА на траекторию полета

На участке выведения КА на элементы конструкции, систем и оборудования КА действуют инерционные нагрузки, обусловленные ускорением. Величины этих нагрузок зависят от величины и направления перегрузок. Перегрузки, возникающие на участке выведения, невелики и не превышают . Однако инерционные нагрузки для отдельных элементов и даже частей конструкции КА могут быть значительно выше из-за вибрации (общие или местные ускорения колебательного характера). Основным источником вибрации являются работающие двигатели – маршевые и двигатели системы ориентации. Вибрации отдельных элементов могут возникать также вследствие пульсации компонентов топлива в трубопроводах. Могут быть и другие причины вибрации. Вибрация может явиться причиной усталостных разрушений элементов конструкции КА, механических повреждений приборов и аппаратуры, нарушения герметичности отсеков КА.

---

Элементы конструкции КА подвергаются также интенсивному акустическому нагружению. Акустическая нагрузка - это воздействие возникающего при работе ракетных двигателей звукового (акустического) поля на КА. Акустическая энергия, генерируемая реактивной струей ракетного двигателя, характеризуется частотным спектром, силой звука, уровнем звукового давления, продолжительностью воздействия и некоторыми другими параметрами.

На образование акустического поля затрачивается до 1% кинетической энергии струи. Частотный спектр шума работающего двигателя, как правило, широкополосный и гладкий (так называемый белый шум). Однако при некоторых компоновках многосопловых двигательных установок или при взаимодействии реактивных струй с элементами пускового устройства в гладком спектре шума появляются дискретные составляющие – выбросы на отдельных частотах, интенсивности которых иногда в 100 раз и более превосходят уровень интенсивности сплошного спектра. Для объекта наибольшую опасность представляют дискретные составляющие, которые могут приводить к его раскачке и даже разрушению, особенно при совпадении частоты составляющей с собственной частотой конструкции. Наиболее чувствительны к акустическим нагрузкам аппаратура и некоторые элементы системы управления.

При работе двигательной установки шум возникает не только от реактивных струй, но и от вибраций, например, от вибраций сопла и трубопроводов, вызванных воздействием на них колебаний давления в пограничном слое, непосредственных вибраций двигателей из-за несбалансированности вращающихся элементов, работы арматуры и т. д. Однако эти источники вибрации невелики по амплитуде и имеют высокую частоту.

Пребывание в космосе

Кратко охарактеризуем основные факторы космической среды и их проявление в состоянии конструкции, систем, оборудования и приборов КА.

1) Космический вакуум

Основной особенностью космоса как физической среды является чрезвычайная разреженность газообразной материи в нем. Когда давление газа значительно ниже атмосферного, то такое его состояние называется вакуумом. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. В вакуумной технике давление выражается в единицах, называемых “торр”, ”мм. ртутного столба, “Паскаль” (Па). “Торр” соответствует давлению 1 мм. рт. cт. Давление 760 мм. рт. cт. соответствует или ., поэтому .

Давление в космосе изменяется в широких пределах в зависимости от рассматриваемого пространства. Согласно астрономическим данным давление газа в межзвездном пространстве (в основном атомарного водорода) составляет приблизительно . Межпланетное пространство заполнено газовыми частицами в основном солнечного происхождения. Эти частицы эжектируются из солнечной короны, образуя потоки плазмы - солнечный ветер, состоящий, главным образом, из ионизированных водорода и гелия. Условия в межпланетном пространстве широко изменяются в зависимости от солнечной активности. Давление в среднем изменяется от до .

---

Наибольший практический интерес представляют данные о состоянии разреженного газа в околоземном пространстве. Атмосфера Земли на высотах более 100 км неоднородна как в отношении химического состава, так и по состоянию частиц. Так на высоте 100 км давление газа составляет приблизительно При этом основные компоненты атмосферы - . На высоте 200км давление составляет На высоте 300 км давление газа не превышает величину , а на высоте 1000 км давление составляет величину порядка .

Важной характеристикой состояния газа, зависящей от его давления, температуры и химического состава и определяющей характер и интенсивность протекания процессов переноса, является средняя длина свободного пробега молекулы ( ). Оценки , выполненные по известной из курса общей физики формулы Сюзерленда для воздуха при давлениях и температурах, соответствующих и , показали, что в первом случае , а во втором - . Таким образом, при длина свободного пробега молекулы превышает характерные размеры КА. Данное обстоятельство обуславливает способность космического пространства поглощать в неограниченных количествах газы и пары, которые выделяются с поверхности КА. То есть особенностью массопотерь в космосе является то, что мало частиц, улетающих с поверхности КА, возвращаются обратно. Эта особенность характеризуется так называемым коэффициентом возврата , определяемым отношением количества частиц, возвращающихся на КА в единицу времени, к числу частиц, покидающих его за то же время. В [8] отмечается, что при .

Давление газа на различные части КА в космосе не одинаково. На передние (по вектору скорости) части околоземного КА ( ) оно может на два порядка превышать статическое давление в данном месте пространства, а на задние части может быть на несколько порядков ниже. Это является следствием того, что скорость КА может существенно превосходить скорость теплового хаотического движения частиц в космосе. По этой причине для различных частей КА может отличаться и коэффициент возврата .

Наличие упорядоченной скорости движения газовой среды относительно КА приводит к кинетическому нагреву передней части его поверхности за счет взаимодействия с частицами набегающего газового потока. Часть кинетической энергии частиц, пропорциональная термическому коэффициенту аккомодации ( ) передается стенке в виде тепла. Кроме того выделение тепла на стенке происходит и вследствие возможных процессов рекомбинации диссоциированных молекул газа на сравнительно холодной стенке. При свободномолекулярном режиме течения газа плотность теплового потока , подводимого к элементу поверхности КА за счет столкновения с частицами воздуха можно определить с помощью простой формулы: , где - плотность газа, - угол между плоскостью элемента КА и направлением полета, ( ). Оценки показывают, что при .

---

Плотность теплового потока, подводимого к поверхности КА при реализации процессов рекомбинации диссоциированных молекул газа, как показывают оценки, приблизительно на порядок меньше .

Таким образом, имеет место неравномерное динамическое и тепловое воздействие разреженной космической газообразной материи на поверхность КА. При этом для околоземных аппаратов непосредственное тепловое воздействие газовых частиц на некоторые поверхности весьма существенно до высот . Этим воздействием можно бесспорно пренебречь лишь при . Но при этом необходимо отметить то, что разреженная газовая материя космоса уже начиная с высот, превышающих не является сколько-нибудь заметной теплопередающей средой. Оценки, проведенные в [9], свидетельствуют о том, что на таких высотах конвективным теплопереносом и теплопроводностью газа можно пренебречь. Следовательно, теплообмен между неконтактирующими друг с другом поверхностями в космосе может осуществляться в основном излучением и в особых случаях за счет таких массообменных процессов как сублимация, испарение, конденсация.

Космический вакуум может вызвать ускоренную сублимацию (испарение) поверхностных слоев материалов КА, приводящую к изменению их поверхностных свойств, в том числе к изменению радиационно-оптических характеристик. При этом для металлов вакуум не представляет особой опасности, исключая металлы с относительно высоким давлением насыщенных паров, такие как и . Так, например, при температуре 120 С лист из кадмия толщиной 2 за год может испариться полностью (при двустороннем испарении).

Большинство неметаллических материалов в большой степени подвержены изменениям в вакууме, особенно материалы, имеющие легколетучие компоненты. Изменения усугубляются одновременным (с вакуумом) воздействием жестких электромагнитных излучений и потоков заряженных частиц в основном солнечного происхождения. Особенно опасно испарение в вакууме для материалов, имеющих целевое назначение, например, для покрытий с определенными оптическими свойствами, для смазок трущихся частей (испарение смазки может привести к холодной сварке металлов), для работы оптической аппаратуры (иногда вакуумное испарение покрытия оправы или бленды объектива приводило к его помутнению из-за осаждения продуктов испарения).

В вакууме в результате удаления защитных газовых, а также оксидных пленок может существенно увеличиться коэффициент трения между соприкасающимися поверхностями, а также может измениться коэффициент термической аккомодации . Так коэффициент гелия на чистой поверхности вольфрама на порядок меньше в случае поверхности того же вольфрама, но покрытой адсорбированными молекулами. Очищение поверхности КА от слоя хемисорбированных или физически сорбированных молекул происходит после выхода в космос постепенно под воздействием внешних условий, в том числе под воздействием частиц набегающего потока газа, кинетическая энергия которых превосходит энергию связи адсорбированных атомов и молекул.

---

Важными являются также следующие явления, обусловленные космическим вакуумом: нагрузки от перепадов давления (внутри КА и снаружи); утечка хранящихся на борту КА газов ; разгон истекающих и стравливаемых газов до предельных скоростей; переохлаждение поверхностей при стравливании криогенных компонентов.

Нагрузка от перепадов давления в космосе довольна значительна. Любое абсолютное давление в замкнутых объемах - баках, в кабине экипажа, и т.д. – является, по сути дела, избыточным. Давление внутренних полостей таким образом нагружает конструкцию, что в итоге выливается в затраты массы.

Утечка газов в вакууме происходит не только из-за мельчайших зазоров в арматуре и уплотнениях, но и непосредственно через стенки заключающих их емкостей. Так, например, гелий, имеющий температуру 600 С и давление 60 ( ), проникает сквозь стенку трубы из нержавеющей стали в окружающее пространство, где поддерживается давление , при толщине стенки трубы со скоростью . Заметим, что - нормальный литр, т.е. 1 газа при нормальных условиях. Утечка водорода при тех же условиях больше примерно в раз, а утечка азота приблизительно в три раза меньше, чем у водорода. Такое сравнение еще не означает, что гелий сохраняется лучше, чем другие газы. Дело в том, что атомы гелия имеют очень маленький относительный размер и вследствие этого гелий интенсивно вытекает через малейшие щели. У водорода размер молекул больше, он не так интенсивно вытекает через щели, но очень сильно диффундирует через стенки из-за своей химической активности. Истекающие в вакуум газы разгоняются до больших скоростей, поэтому порождают довольно значительные возмущающие силы, которые необходимо компенсировать средствами ориентации.

Переохлаждение конструкции при стравливании криогенных жидких компонентов, особенно переохлаждение стравливающих штуцеров и пористых поверхностей, происходит по двум причинам: во - первых, из-за отбора от этих элементов теплоты испарения, во - вторых, из-за расширения потока стравливаемого газа. Это расширение иногда сопровождается настолько интенсивным отбором тепла, что в потоке могут образоваться центры кристаллизации паров стравливаемого компонента.

Вакуум может вызвать возникновение токов утечки, разрядов, пробоев, а также других нежелательных электрофизических явлений при эксплуатации электронного и электротехнического оборудования КА. Продукты испарения могут попадать на относительно более холодные участки неизолированных электрических цепей и вызвать появление токов утечки, тем самым нарушая режим работы электронных схем.

2) Радиационные свойства космического пространства

Характерной особенностью космоса является практическое отсутствие излучения по всем направлениям, находящимся за пределами телесных углов обзора Солнца и планет. По оценкам плотность потока падающего из космоса излучения на элемент поверхности, который в силу своей ориентации не подвергается воздействию излучения, исходящего от Солнца и планет, составляет величину, приблизительно равную . Такая плотность потока излучения свойственна абсолютно черному телу с температурой . Поэтому при характеристике космического пространства употребляют термин “холодный” космос.

---

Смотрите также файлы

• Метод простой итерации.doc

• Московский Авиационный Институт (Государственный Технический Уни.doc

• Московский авиационный институт государственный технический унив.doc

• Московский Государственный Институт (Университет) Международных .doc

• Организационные структуры систем обучения.doc