В связи с многообразием откачиваемых газов и паров, а также ограниченностью технических средств, позволяющих одинаково эффективно откачивать газ в диапазоне давлений от атмосферного ( ) до рабочего ( ), обеспечивая при этом реализацию нужных больших, как правило, объемных скоростей откачки, одновременно используются насосы различных типов: насосы предварительной, основной и вспомогательной откачки.

Насосы предварительной откачки (форвакуумные) предназначены для начального вакуумирования (до т.е. до ), после чего начинают действовать насосы основной и вспомогательной откачки.

Насосы основной и вспомогательной откачки предназначены для откачки газов и паров в рабочем диапазоне давлений и имеют большую объемную производительность. Вспомогательная откачка действует одновременно с основной и необходима вследствие избирательного откачного действия насосов основной откачки.

Для основной откачки применяют насосы, так называемого, поверхностного действия, использующие в максимально возможной степени внутреннюю поверхность установки. Это, главным образом, криогенные насосы конденсационного типа. Работа их основана на вымораживании откачиваемых паров и газов, т.е. образовании твердой или жидкой фазы откачиваемого газа на криоповерхностях и, следовательно, в понижении парциального и суммарного, тоже, давления паров и газов в откачиваемом объеме. Криоконденсация может эффективно применяться для откачки газов, равновесное давление насыщенных паров которых при температуре криоповерхности является более низким, чем требуемое давление. Для каждой температуры имеются свои, так называемые, неконденсируемые газы с равновесным давлением насыщенных паров, превышающим заданное. Так при температуре жидкого ( ) не конденсируются инертные газы с равновесным давлением насыщенных паров порядка , водород; при температуре жидкого водорода ( ) не конденсируется водород и гелий; при температуре жидкого гелия не конденсируется гелий и частично водород. Вот почему при использовании криоконденсационных насосов для основной откачки для получения сверхнизких давлений одновременно необходимо использование насосов вспомогательной откачки.

Криогенные насосы конструктивно выполняются в виде криорешеток, по внутренним каналам которых циркулирует хладагент. Схемы решеток могут быть различными. Используют и комбинированные решетки. Одни охлаждаются жидким или кипящим азотом и располагаются так, чтобы воспринимать тепловое излучение, исходящее от испытуемого объекта, имитаторов внешних тепловых потоков, стенок вакуумной камеры. Другие - охлаждаются холодным газообразным ( - ) или жидким ( ) гелием и заключаются в промежутках между элементами азотных решеток таким образом, чтобы не подвергаться воздействию чрезмерной тепловой нагрузки и, в то же время, выполнять функции крионасоса. Экранирование наиболее холодных поверхностей ухудшает, конечно, характеристики откачки этих устройств, но значительно повышает их экономичность. В целом криорешетки обеспечивают внутренним поверхностям моделирующих установок высокую эффективность откачки и низкий возврат.

---

В качестве насосов вспомогательной откачки в современных установках используются комбинации насосов различных типов.

Ранее в качестве насосов вспомогательной откачки применялись только паромасляные диффузионные насосы, присоединяемые извне к вакуумной камере с помощью соединительных патрубков. Такая внешняя откачка неприемлема в качестве основной по причине недостаточности объемной скорости, ограниченной вакуумной проводимостью соединительных патрубков. Для обеспечения в больших установках приемлемых скоростей откачки с помощью паромасляных диффузионных насосов, т.е. для осуществления основной откачки потребовалось бы размещение вне установки многочисленных насосов, что вызовет появление конструктивных и эксплуатационных трудностей и приведет к усиленной миграции масла в рабочий объем установки. Появление потока паров масла внутри моделирующей установки является недопустимым из-за загрязнения поверхности КА и оптических элементов имитаторов лучистых потоков вследствие конденсации на них паров масла. Можно существенно уменьшить, но не исключить, миграцию масла, применяя специальные клапанные устройства и охлаждаемые жидким азотом ловушки. Вместо вакуумного масла в диффузионных насосах может использоваться и ртуть. В этом случае насосы называются ртутными пароструйными.

Более перспективными для вспомогательной откачки являются крисорбционные насосы и электрофизические средства откачки. Криосорбционная откачка происходит в результате физической и химической адсорбции газов на специальных охлаждаемых твердых телах (сорбентах). Используются, в основном, два метода криосорбционной откачки: 1) Адсорбция газов на охлаждаемых металлических пленках, непрерывно напыляемых на подложки в процессе откачки. 2) Адсорбция газов охлажденными пористыми телами. Первый метод основан на физическом и химическом связывании газов поверхностями, на которые в процессе работы наносятся слои активных веществ - геттеров. Использующийся металл (геттер) осаждается на охлаждаемой подложке в виде пленок, сорбирующих откачиваемые газы. В качестве газопоглотителей применяют пленки титана, вольфрама, палладия, никеля и других металлов. Наиболее широко используют пленки титана. Титановые геттерные насосы имеют достаточно высокую начальную удельную скорость откачки для наиболее распространенных типов газов: и др. Однако инертные газы этими насосами откачиваются плохо. Геттерным насосам свойственны и другие недостатки: проникновение паров металла – геттера в откачиваемый объем, малая скорость откачки органических соединений и снижение производительности при откачке органических соединений и углекислого газа.

Другой метод криосорбционной откачки основан на использовании в качестве адсорбентов мелкопористых веществ (активированного угля, силикагелей, цеолитов). Адсорбент необходимо периодически регенерировать (восстанавливать адсорбционные свойства) путем нагрева в вакууме для десорбции адсорбента.

---

Принцип действия электрофизических средств откачки основан на различных комбинациях способов генерации пара геттеров, ионизации молекул откачиваемых газов и ускорения образованных ионов с последующим протеканием различных физико–химических процессов при взаимодействии частиц с поверхностью сорбции. По методу нанесения геттерных покрытий различают ионно-геттерные, магнитные электроразрядные и комбинированные насосы.

Принцип работы ионно-геттерных насосов основан на удалении молекул откачиваемого газа в результате его ионизации, испарения химически активных металлов, хемосорбции активных газов, внедрения ионов инертных газов и их “замуровывания”. Функционально насос разделяется на испарительную и ионизационную системы. Ионизационная система используется также и для диссоциации сложных молекул - паров воды, метана, тяжелых углеводородов. Откачка в ионно-геттерных насосах происходит в результате ускорения ионов откачиваемого газа электрическим полем с последующим внедрением и “ замуровыванием’ обновляемыми слоями геттерного покрытия.

В магнитных электроразрядных насосах для ионизации газа и распыления геттерного материала используется разряд в скрещенных электрических и магнитных полях - разряд Пеннинга. Механизм откачки газа этими насосами во многом сходен с механизмом, определяющим работу испарительных геттерных насосов, но интенсивная ионизация и диссоциация молекул откачиваемого газа в газовом разряде дает возможность использовать насосы этого типа как эффективное средство откачки инертных газов и углеводородов.

Комбинированные насосы представляют собой совокупность нескольких откачных средств, размещаемых в едином корпусе: адсорбционного и испарительно-геттерного насосов, испарительно-геттерного и электроразрядного насосов и др. Целесообразность подобных комбинаций определяется тем, что геттерные насосы эффективно откачивают химически активные газы, но не пригодны для откачки инертных газов и углеводородов.

Для вспомогательной откачки используют и турбомолекулярные вакуумные насосы, содержащие ряд статорных и роторных дисков с радиальными косыми пазами. При вращении ротора насоса молекулам откачиваемого газа сообщается импульс в направлении выпускного патрубка. Динамический напор молекулярного газа, образующийся вследствие импульса, уравновешивает перепад давлений в проточной части насоса, которую составляют диски с пазами. Турбомолекулярные вакуумные насосы имеют ряд следующих преимуществ перед другими средствами вакуумной откачки: обладают способностью откачивать все газы независимо от их химической активности, молекулярного веса, величины давления насыщенных паров при той или иной температуре; не загрязняют среду откачиваемого объема парами углеводородов или другими рабочими телами, как диффузионные, геттерные насосы и др.; имеют большую быстроту действия при откачке газов с малой молекулярной массой, обычно трудно удаляемых из высоковакуумных систем. Предельное разряжение на входе турбомолекулярных насосов составляет приблизительно при форвакууме порядка .

---

Моделирование радиационных свойств космического пространства.

“Холод “ и “черноту” космоса моделируют с помощью экранов, охватывающих рабочий объем установки и охлаждаемых до низких температур криогенными хладоносителями. Эти же экраны выполняют и функцию крионасосов основной откачки вакуумной камеры. На экраны наносится покрытие, обладающее высоким значением поглощательной способности во всем диапазоне спектра теплового излучения. Считается, например в [3,8,9], что моделирование “холодного” (т.е. практически ничего не излучающего космического пространства) может осуществляться с удовлетворительной точностью с помощью охлаждаемых до температур кипящего азота экранов (). Однако конструктивные особенности экранов могут явиться источником существенных погрешностей моделирования. Экраны, как правило, выполняются в виде оребренных каналов. Вследствие этого участки оребрения, наиболее удаленные от каналов, по которым циркулирует хладоноситель, могут иметь температуры, существенно превышающие температуру кипящего азота. Из-за этого радиационная температура экрана в целом может значительно превышать температуру хладоносителя и экраны могут явиться источником заметного фонового излучения. Данное обстоятельство необходимо учитывать при анализе результатов экспериментов и при переносе их на натуру.

Для моделирования “черноты” космического пространства (идеальных поглощательных его свойств) на экраны наносятся покрытия, обладающие максимально возможной степенью черноты и поглощательной способностью по отношению к излучению, моделирующему солнечное излучение. Однако возможности всех имеющихся покрытий ограничены в этом отношении. Ни одно из покрытий не имеет степень черноты ( ) и поглощательную способность по отношению к солнечному излучению ( ) выше величины . За счет придания экранам макрошероховатости поглощательную способность экранов можно поднять и до величины . Под макрошероховатостью здесь понимаются различные конструктивные решения по приданию экранам свойств модели абсолютно черного тела. Для этого можно, например, на достаточно толстой стенке экрана создать шероховатости в виде канавок трапециевидного, треугольного, прямоугольного профиля, можно выполнить экраны в виде решеток, открытых сотовых конструкций и т.д. Но в процессе работы тепловакуумной установки из-за образования на экранах криоосадка поглощательная способность экранов может существенно снизиться (до величины 0,9 и даже ниже). Следовательно, достаточно точное моделирование идеальных поглощательных свойств космического пространства для всех возможных случаев – задача практически невыполнимая. Экраны тепловакуумной установки должны иметь максимально достижимую поглощательную способность, например, величину порядка 0,97 – 0,98. А в каждом конкретном случае (для каждого объекта) необходимо тщательное изучение вопроса о благоприятном, в известном смысле, расположении объекта в камере и о режиме работы имитатора Солнца (о размерах “солнечного пятна”, если есть возможность регулирования его размеров). Кроме того, в ряде случаев целесообразно пойти на изменение облицовочного материала матов экранно-вакуумной изоляции или на изменения покрытий наружных поверхностей с целью уменьшения отношения тех частей испытуемого объекта, которые не подвергаются воздействию прямого и отраженного от планеты солнечного излучения.

---

Лекции N 10 и 11

Тема лекции: Воспроизведение в экспериментальных установках влияния солнечного излучения и излучения планет на тепловое состояние КА.

Моделирование воздействия на КА электромагнитного излучения Солнца.

Наиболее естественным и перспективным в отношении требуемого результата является способ моделирования, основанный на максимально полной имитации потока электромагнитного излучения Солнца по основным его параметрам: плотности, спектру, степени параллельности. Имеется уже немалый опыт разработки систем имитации солнечного излучения, который свидетельствует о том, что трудности, встречающиеся на пути создания достаточно совершенных имитаторов Солнца, в принципе преодолимы. Однако существует прямая и весьма сильная связь между точностью и стоимостью разработки и эксплуатации солнечных имитаторов. В связи с этим создают имитаторы, отвечающие разумным требованиям по точности воспроизведения основных параметров потока солнечного излучения.

Основными элементами всякого имитатора солнечного излучения являются источники излучения и спрямляющая система. Последняя предназначена для формирования потока излучения с малорасходящимися лучами и может включать в себя преломляющие, отражающие и поглощающие элементы. В связи с тем, что эти элементы могут применяться в различных сочетаниях, а также в связи с многообразием применяемых источников излучения строгая классификация схем имитаторов затруднена. Однако три группы оптических схем все же можно выделить. В двух из них, называемых осевыми и неосевыми схемами, источники излучения располагаются вне, а элементы спрямляющей системы внутри вакуумной камеры. В третью группу входят системы с внутрикамерным расположением источников излучения. Рассмотрим кратко каждую из выделенных групп схем.

Оптические схемы имитаторов солнечного излучения

1)Осевые схемы.

Малорасходящийся поток излучения можно получить с помощью осесимметричных параболоидного, сферического или эллипсоидного зеркал, в фокусах которых находятся достаточно мощные источники излучения. Но такая простая схема имеет ряд недостатков. Основной из них заключается в том, что источник излучения находится в вакуумной камере. Данное обстоятельство порождает трудности эксплуатационного характера, а в случае использования источников излучения без охлаждения кварцевых колб весьма существенно сказывается и на спектре их излучения. Однако этот недостаток можно устранить, если воспользоваться одной из классических схем оптических систем: системами Кассегрена, Ньютона и Грегори. В этих системах, схематично изображенных на рисунке 1, применяются, кроме основного, вторичные зеркала, расположенные перед основным в окрестности его фокуса. При использовании вторичного зеркала источник излучения можно располагать вне вакуумной камеры, что создает условия корректировки спектра излучения источников и существенно упрощает и удешевляет эксплуатацию имитатора. Другой недостаток свойственный всем осевым схемам, заключается в том, что поток излучения, исходящий от испытуемого объекта (собственное и отраженное излучение), после переотражения от основного зеркала может вновь попасть на объект, то есть объект как бы “ видит” себя в зеркале. Это приводит в ряде случаев к существенным погрешностям в воспроизведении внешних тепловых нагрузок.

---

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