Испытания лабораторных образцов терморегулирующих покрытий углепластиковых элементов космических аппаратов

Автор: Халиманович Владимир Иванович, Харламов Валерий Анатольевич, Ермолаев Роман Александрович, Михеев Анатолий Егорович, Гирн Алексей Витальевич

Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau

Рубрика: Авиационная и ракетно-космическая техника

Статья в выпуске: 3 (24), 2009 года.

Бесплатный доступ

Проведены исследования терморегулирующих покрытий углепластиковых элементов конструкций космических аппаратов, полученных ионно-плазменным напылением. Выявлены режимы получения покрытий, которые удовлетворяют требованиям по терморадиационным характеристикам.

Космический аппарат, терморегулирующие покрытия, ионно-плазменное напыление

Короткий адрес: https://sciup.org/148175965

IDR: 148175965

Текст научной статьи Испытания лабораторных образцов терморегулирующих покрытий углепластиковых элементов космических аппаратов

В процессе эксплуатации космический аппарат (КА) периодически и неравномерно освещается Солнцем, подвергается воздействию потоков заряженных частиц. Происходит неравномерный нагрев и электростатическое заряжение поверхностей КА. Неравномерный нагрев при- водит к искажению формы конструкций из углепластика, имеющего анизотропные коэффициенты теплового расширения и теплопроводность. Это может приводить к ухудшению коэффициента усиления и диаграмм направленности антенных систем и ухудшению ориентации сол- нечных батарей (БС) на Солнце и снижению их мощности. Электрические разряды, возникающие из-за воздействия заряженных частиц, вызывают помехи и сбои бортовой аппаратуры и деградацию бортовых систем. Для предотвращения указанных негативных явлений необходимо обеспечить терморегулирование антенн, каркасов БС, бортовых систем и защиту их от электризации.

Важную часть систем терморегулирования объектов космической техники составляют терморегулирующие покрытия (ТРП) и экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ), которые покрывают все внешние поверхности КА. ЭВТИ и ТРП устанавливают баланс между выделением тепла внутри КА, энергией, поглощаемой из космоса (от солнечного излучения), и энергией, излучаемой в космическое пространство.

Терморегулирующие покрытия характеризуются терморадиационными характеристиками: коэффициентом поглощения солнечного излучения А_s и коэффициентом излучения (степенью черноты) Е_n . Отношением A_s / E_n определяется равновесная температура тела при радиационном теплообмене (чем больше это отношение, тем выше равновесная температура) [1].

Под действием различных факторов космического пространства (особенно ионизирующего излучения) наблюдается увеличение коэффициента поглощения A_s , что приводит к повышению температуры бортовых систем КА и снижению сроков его активного существования. Поэтому создание ТРП классов «солнечные отражатели» и «истинные отражатели», обладающих стабильными терморадиационными характеристиками и одновременно антистатическими свойствами при длительной эксплуатации в космосе, с низким газовыделением является одной из важных задач космонавтики XXI в. Разработка таких покрытий позволит снизить до минимума отклонения от заданного теплового режима, уменьшить сбои в работе и отказы высокочувствительной оптической и радиоэлектронной аппаратуры, что даст возможность увеличить технический ресурс КА до 15 лет и более . Для достижения требуемой равновесной температуры данных конструкций коэффициент Е_n должен быть от 0,2 до 0,4 при отношении А_s / E_n ≤ 1. Поверхностное электрическое сопротивление покрытий должно быть не более 10⁵ кОм/квадрат.

В процессе выполнения исследований по разработке терморегулирующих покрытий для углепластиковых эле- ментов каркасов БС был проведен выбор материалов и методов нанесения терморегулирующих покрытий.

Для проведения необходимого объема испытаний ТРП специалистами ОАО «ИСС» и СибГАУ были изготовлены образцы терморегулирующих покрытий, включающих подслой лака, отражающий слой алюминия, и теплоизлучающий электропроводный слой на основе оксидов алюминия и циркония. Нанесение покрытий проведено ионно-плазменным магнетронным напылением. Такая технология выбрана в связи с известными преимуществами ионно-плазменных технологий перед традиционными методами термического испарения: высокой однородностью и адгезионной прочностью покрытий, возможностью нанесения слоев из тугоплавких соединений, оксидных полупроводников и др. [2].

Определение физико-технических характеристик образцов проводилось в ОАО «ИСС» следующим образом:

– толщину напыленных слоев алюминия и оксидов определяли на стеклянных образцах-свидетелях на микроинтерферометре МИИ-4;
– адгезионную прочность покрытия определяли методом отрыва приклеенных штоков;
– терморадиационные характеристики образцов А_s , Е_n были измерены фотометром ФМ-59 и терморадиометром ТРМ-И;
– поверхностное электрическое сопротивление покрытий измеряли двухзондовым методом с помощью тераомметра Е6-13А;
– массу образцов покрытий измеряли на весах ВЛАО-20 г.

Основные характеристики изготовленных образцов приведены в табл. 1.

Масса всех изготовленных схем ТРП составляет не более 50 г/м2. Как показывают данные (табл. 1), наиболее близки к предъявляемым требованиям образцы покрытий № 5, 7, 10, 11.

Для окончательного выбора схемы покрытия и корректировки технологических режимов было проведено исследование стабильности основных характеристик изготовленных образцов ТРП под воздействием факторов хранения и эксплуатации. Исследование было разделено на два этапа:

– экспрессные испытания для оценки соответствия выбранных схем покрытий техническим требованиям и корректировки технологических режимов;

Характеристики покрытий на экспериментальных образцах

Таблица 1

Номер образца	Материал подложки	Состав покрытия	Толщина слоя оксида, мкм	Адгезионная прочность, кг/см²	Терморадиационный коэффициент		А s / E n	Удельное электр. сопротивле ние кОм/ квадрат
Номер образца	Материал подложки	Состав покрытия	Толщина слоя оксида, мкм	Адгезионная прочность, кг/см²	A s	E n	А s / E n	Удельное электр. сопротивле ние кОм/ квадрат
2	КМУ-4Л	Al–ZnO	0,6–0,8	75	0,38	0,19	2	~10^–2
3	КМУ-4Л	Al–MoO₃	0,4–0,6	70	0,29	0,14	2	~10^–2
5	КМУ-4Л	Al–Al 2 O 3	0,8–1,0	60	0,24	0,22	1,1	1 ∙ 10⁵
6	КМУ-4Л	Al–Al 2 O 3	0,5–0,7	65	0,22	0,18	1,2	6 ∙ 10⁴
7	КМУ-4Л	Al–ZrO 2	0,4–0,6	65	0,19	0,18	1	3 ∙ 10³
8	КМУ-4Л	Al–ZrO 2	1,2	65	0,24	0,25	1,0	~10⁷
10	КМУ-4Л	Al–ZrO 2	1,5	65	0,20	0,28	0,7	2 ∙ 10⁶
11	КМУ-4Л	Al–Al 2 O 3 –ZrO 2	0,5; 0,5	70	0,27	0,21	1,3	1,1 ∙ 10⁵

– контрольные испытания для определения стабильности характеристик ТРП в условиях воздействия факторов хранения и эксплуатации.

Ускоренные климатические испытания (УКИ) образцов покрытий проводили при влажности до 98 % и температуре до +70 ° С.

Испытания на воздействие циклического изменения температуры в вакууме (термоциклирование (ТЦ)) проводили в вакуумной камере, при остаточном давлении P < 5 ■ 10^-5 мм рт. ст. Нагрев термостола с образцами осуществляли лампами типа КГ-127-1000, а охлаждение – жидким азотом. Количество циклов – 10 при экспресс-испытаниях и 50 – при контрольных. Диапазон температур от –150 до 150 °С.

Все полученные образцы прошли экспресс-испыта-ния, результаты которых приведены в табл. 2. Данные показывают (табл. 2), что экспериментальные образцы покрытий № 5, 8 и 10 удовлетворяют предъявляемым тре- бованиям по терморадиационным характеристикам и адгезионной прочности.

Характеристики опытных образцов терморегулирующих покрытий на углепластике и результаты контрольных испытаний приведены в табл. 3 и 4.

Относительное изменение коэффициента A_s образцов в процессе испытаний (средние значения) представлено на рисунке.

В результате УКИ наблюдается снижение коэффициента A_s на 2–8,5 % относительно исходного значения, далее, после ТЦ, изменение коэффициента A_s составляет от 0 до 2 %. Такое поведение покрытия может быть объяснено дефицитом кислорода в слое МеО при изготовлении и доокислением покрытия в процессе УКИ.

Из результатов испытаний следует, что по терморадиационным коэффициентам и адгезионной прочности достаточно близки или удовлетворяют техническим требованиям все испытанные варианты покрытий опытных

Таблица 2

№ образца а	Покрытие	Воздействие УКИ					ТЦ
		A s		E n		A s / E n	A s	E n	A s / E n	Адгезия, кг/см²
		до	после	до	после	после	после
2	Al–ZnO	0,38	0,41	0,19	0,40	1,0	0,48	0,40	1,2	60
3	Al–MoO₃	0,29	0,42	0,14	0,28	1,5	0,43	0,30	1,4	60
5	Al–Al 2 O 3	0,24	0,21	0,22	0,22	1,0	0,22	0,22	1,0	70
6	Al–Al 2 O 3	0,22	0,20	0,18	0,18	1,1	0,20	0,19	1,1	60
7	Al–ZrO 2	0,19	0,21	0,18	0,19	1,1	0,21	0,19	1,1	65
8		0,24	0,22	0,25	0,25	0,9	0,22	0,25	0,9	65
10		0,20	0,19	0,28	0,28	0,7	0,19	0,28	0,7	60
11	Al–Al 2 O 3 –ZrO 2	0,27	0,25	0,21	0,22	1,1	0,25	0,23	1,1	70

Таблица 3

№ образца	Покрытие	A s		E n		A s / E n	Адгез. прочность, кг/см²		Удельное электр. сопротивление, кОм/квадрат
№ образца	Покрытие	до	после	до	после	до	до	после	до	после
22	Al–Al 2 O 3	0,20	0,20	0,21	0,21	1,0	65	60	0,7 ∙ 10⁵	0,9 ∙ 10⁵
23	Al–Al 2 O 3	0,26	0,25	0,40	0,40	0,6	65	65	~ 10⁹	~ 10⁹
35	Al–ZrO 2	0,22	0,20	0,19	0,21	1,2	70	70	6 ∙ 10³	7 ∙ 10³
36		0,21	0,20	0,25	0,26	0,8	65	65	7 ∙ 10⁴	9 ∙ 10⁴
37		0,26	0,23	0,31	0,30	0,8	65	65	~ 10⁷	~ 10⁷
38		0,35	0,32	0,39	0,40	0,9	60	60	1,1 ∙ 10⁵	~ 10⁷
42	Al–Al 2 O 3 –ZrO 2	0,27	0,25	0,24	0,24	1,1	75	70	8 ∙ 10⁴	1 ∙ 10⁵

Таблица 4

№ образца	Покрытие	A s		E n		A s / E n	Адгез. прочность, кг/см²		Удельное электр. сопротивление, кОм/квадрат
№ образца	Покрытие	до	после	до	после	после	до	после	до	после
22	Al–Al 2 O 3	0,20	0,20	0,21	0,21	1,0	60	60	0,9 ∙ 10⁵	0,9 ∙ 10⁵
23	Al–Al 2 O 3	0,25	0,24	0,40	0,40	0,6	65	60	~ 10⁹	~ 10⁹
35	Al–ZrO 2	0,20	0,21	0,21	0,21	1,0	70	65	7 ∙ 10³	7 ∙ 10³
36		0,20	0,20	0,26	0,27	0,7	65	60	9 ∙ 10⁴	8 ∙ 10⁴
37		0,23	0,22	0,30	0,30	0,7	65	65	~ 10⁷	~ 10⁷
38		0,32	0,32	0,40	0,39	0,8	60	60	~ 10⁷	~ 10⁷
42	Al–Al 2 O 3 –ZrO 2	0,25	0,25	0,24	0,24	1,0	70	65	1 ∙ 10⁵	1 ∙ 10⁵

Результаты экспресс-испытаний экспериментальных образцов покрытий

Исходные характеристики и результаты УКИ опытных образцов ТРП

Результаты термоциклирования опытных образцов ТРП

образцов. По удельному электрическому сопротивлению удовлетворяют требованиям образцы № 22 (Al–Al2O3), № 35, 36 (Al–ZrO2) и № 42 (Al–Al2O3–ZrO2) – от 6 до 80 Ом ∙ м, что соответствует удельному поверхностному сопротивлению от 6∙103 до 8 ∙ 104 кОм/квадрат при толщине покрытий ~ 1 мкм. Варианты покрытий Al–ZrO2 № 35 и Al–Al2O3–ZrO2 отличаются наибольшей стабильностью характеристик при воздействии факторов испытаний. Для трехслойного ТРП масса составит не более 45 г/м2.

Изменение отношения A_s / A_s ₀ покрытий в процессе испытаний

Таким образом, проведено изготовление трех схем терморегулирующих покрытий для углепластиковых элементов конструкции КА для обеспечения заданного теплового режима. Характеристики опытных образцов ТРП удовлетворяют требованиям по коэффициенту E_n (от 0,20 до 0,40) и отношению A_s / E_n (от 0,6 до 1,0). Адгезионная прочность покрытий на нормальный отрыв не менее 60 кг/см², масса не более 50 г/м². Удельное электрическое сопротивление зависит от схемы, толщины, технологических режимов нанесения покрытия и находится в пределах от 6 до ~ 10⁶ Ом∙м или от 6 ∙ 10³ до ~ 10⁹ кОм/квадрат. Опытные образцы ТРП выдержали контрольные испытания на воздействие основных факторов хранения и эксплуатации.

Статья научная