Создание высоковакуумной зоны в аэродинамическом следе за защитным экраном в условиях орбитального полета на высотах H = 250 – 400 км

Давление за защитным экраном (ЗЭ) при его автономном полете в верхней атмосфере должно зависеть только от степени обезгаженности «теневой» поверхности, и уровень разрежения за ЗЭ тогда может быть обеспечен на два-три порядка лучше предельного вакуума, достигаемого в высоковакуумных наземных технологических установках. Изменение параметров течения в аэродинамическом следе за ЗЭ показано на рис. 1, 2. На рис. 1 приведены расчетные положения изобар в поле течения, а на рис. 2 построено изменение

давления по оси течения с учетом собственного газовыделения с внутренней поверхности ЗЭ.

Как показывают расчеты, размеры и положение зоны высокого вакуума в аэродинамическом следе при Н = 250 – 400 км слабо зависят от высоты полета (табл. 1). На этих же высотах значения параметров S _Н и θ , характеризующие условные границы аэродинамического следа за ЗЭ, зависят в основном от уровня солнечной активности и обычно изменяются в пределах S _H ≈ 4-8, и 0 ~ 10°-15°.

При поперечных размерах ЗЭ ~ 3 м технологическая зона в области глубокого «космического» вакуума условно представляет цилиндрическую область с диаметром порядка 0,7 м и с протяженностью от днища экрана ~ 1,5 м, т.е. вполне допускает размещение за ЗЭ технологи- ческой, научной и контрольно-измерительной аппаратуры.

Область «космического» глубокого вакуума по сравнению с рабочими камерами наземных вакуумных установок обладает следующими характерными особенностями:

• •    продолжительность существования этой области определяется только длительностью орбитального полета;

• •    стабильность уровней разрежения, недостижимая в наземных условиях;

• •    открытость в полупространство.

  
  

Влияние собственной внешней атмосферы космических объектов

Однако при реализации рассматриваемого проекта в составе российского сегмента (РС) международной космической станции (МКС) в условиях орбитального полета необходимо учитывать собственную внешнюю атмосферу (СВА), образующуюся около этого объекта.

При проведении на борту орбитальной станции (ОС) «Салют» и орбитального комплекса (ОК) «Мир» астрофизических, геофизических, материаловедческих и технических экспериментов установлено, что около этих объектов образуется СВА, оказывающая негативное влияние на результаты измерений и на состояние измерительных приборов. СВА представляет собой комплексное динамическое образование, включающее в себя газовую, аэрозольную, и мелкодисперсную фазы. К основным источникам формирования СВА, в частности, относятся:

• •    десорбция и диффузия газов и паров, адсорбированных и абсорбированных материалами внешних покрытий;

• •    деструкция и испарение материалов внешних покрытий;

• •    газовые струи работающих двигателей, выбросы газов и паров при работе системы жизнеобеспечения;

• •    утечка газов из гермоотсеков;

• •    выбросы аэрозольных и дисперсных частиц при запуске и отсечке двигателей и через дренажные системы;

• •    выбросы дисперсных частиц при вибрации элементов конструкции и механических ударных воздействиях.

На станции «Салют-7» в эксперименте «Астра-1» [1] при масс-спектрометрических измерениях было зафиксировано присутствие в СВА следующих газов и паров, приведенных в табл. 2.

По наблюдениям экипажей космических кораблей «Союз», ОС «Салют» и ОК «Мир» первоначально дисперсная фаза СВА образуется после отделения выводимого на орбиту объекта от

Том 2

последней ступени носителя, когда в поле зрения наблюдается значительное количество дисперсных частиц (по визуальным оценкам порядка нескольких тысяч с размерами ~ 1-2 мм). При различных механических воздействиях на элементы конструкции космических объектов (вибрации, операции стыковки и расстыковки) в СВА появляется множество дисперсных частиц, размеры которых по оценкам их яркости составляют от 0,1 мм до нескольких миллиметров.

Эти дисперсные частицы фиксируются, как правило, на расстояниях до 15 м от поверхности ОК [2]. Аэрозольные и дисперсные частицы, кроме того, могут представлять собой конденсаты и продукты неполного сгорания компонентов топлива при запусках и отсечках двигателей. Для импульсных двигателей длительность переходных процессов составляет до 50 % времени их работы, поэтому в продуктах выхлопа может находиться до половины массы используемого топлива.

В стационарном состоянии СВА, когда длительное время не производятся динамические операции (например, при гравитационной стабилизации), давление газовой фазы СВА у поверхности ОК составляет по расчётным оценкам ~ 10-6 - 10-5 мм рт.ст. [1], что подтверждается данными натурных измерений при использовании датчика ДВЛС. По данным этих измерений также установлено, что давление в СВА на расстоянии 3 м от поверхности ОК составляет 10-7 - 10-6 мм рт. ст., а на расстояниях порядка 10 м от поверхности ОК не превышает значений порядка 10-7 мм рт. ст. [3].

При динамических операциях, когда работают двигательные установки, давление в СВА резко возрастает на 2-4 порядка по сравнению с фоновыми условиями, а затем релаксирует к исходному состоянию. Время релаксации возмущения давления определяется циклограммой работы двигателей, а также размерами участков поверхности элементов конструкции, попадающих в зону действия струй этих двигателей. Так, например, двигательные установки систем коррекции и ориентации ОК преимущественно работают в импульсном режиме, а направления истечения струй выбираются из условия допустимости силового и теплового воздействия на внешние поверхности элементов конструкции только периферийных зон этих струй. Через эти периферийные зоны протекает не более 2-3 % массы газов от общего расхода, и поэтому в этом случае время релаксации СВА к фоновому состоянию, как показывают натурные измерения, составляет от нескольких до десятков минут. При работе же двигателей систем стыковки и разделения воздействию струй двигательной установки (ДУ) подвергается значительная часть внешней по-

Создание высоковакуумной зоны в аэродинамическом следе за защитным экраном верхности космического объекта, и характерное время релаксации СВА к фоновому состоянию возрастает до десятков часов. В динамическом состоянии состав СВА определяется в основном продуктами выбросов из ДУ.

Эти обстоятельства указывают на необходимость применения специальных выносных устройств, обеспечивающих функционирование экспериментальной и измерительной аппаратуры за пределами СВА при проведении материаловедческих, технологических, астрофизических и геофизических исследований в составе РС МКС.

В процессе эксплуатации ОС «Салют» и ОК «Мир» проведено в общей сложности более 450 экспериментов по реализации базовых космических технологий, а также отработаны уникальные технологии по сборке и развертыванию в космосе экипажами ОС и ОК ферменных и пленочных крупногабаритных конструкций. Кроме того, отработаны методы и средства для проведения в открытом космосе регламентных и ремонтно-восстановительных работ по обслуживанию аппаратуры, по продлению ресурса ОК и его систем.

Этот имеющийся опыт позволил создать специализированную установку «Тюльпан», снабженную выносным устройством для обеспечения обтекания ЗЭ невозмущенным набегающим потоком на высотах орбитального полета [4; 5].

В частности, в качестве прототипа такого выносного устройства был использован задел, накопленный при создании и отработке раздвижных ферм типа «Опора».

Экспериментальная установка «Тюльпан» и перспективы ее использования

Установка «Тюльпан» разработана в Институте электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины и РКК «Энергия» имени С. П. Королева при участии сотрудников Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова Сибирского отделения РАН [6–9]. Эта установка представляет собой бортовой комплекс средств обеспечения сверхвысокого вакуума для РС МКС как новой технологической среды, не имеющей наземных аналогов. В состав основных узлов экспериментальной установки «Тюльпан» входят:

• •    многоразовое устройство выдвижения и складывания (МУВС);

• •    ЗЭ с поворотной платформой (ПП);

• •    платформа полезной нагрузки (ППН);

• •    платформа крепления;

• •    контрольно-измерительная и научная аппаратура (КИА и НА), устанавливаемая на ППН;

• •    силовые и информационные кабели.

Установка «Тюльпан» может быть использована в составе РС МКС или в составе автономного космического аппарата. Посадочное место для монтажа установки на внешней поверхности РС МКС выбирается из условия гарантированного выноса ЗЭ с КИА и НА в невозмущенный набегающий поток при полном раскрытии МУВС. Основные цели исследований, проводимых на установке «Тюльпан» в условиях полета РС МКС, заключаются в следующем:

• •    измерение параметров и определение структуры течения (состав, концентрации, уровни разрежения, наличие мелкодисперсных частиц и т. д.) в ближнем аэродинамическом следе за ЗЭ при поперечном обтекании;

• •    экспериментальное подтверждение возникновения в условиях орбитального полета высоковакуумной зоны в аэродинамическом следе за ЗЭ при поперечном обтекании (с уровнями вакуума ~ 10^-14 - 10^-12 мм рт. ст. и с практически бесконечной скоростью откачки, недостижимых в наземных промышленных высоковакуумных установках);

• •    экспериментальное подтверждение принципиальной возможности использования этой зоны для реализации новых высоких технологий (например, выращивание полупроводниковых структур типа 3-5, 4-4 и 2-6 методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), синтез которых требует уровней разрежения не менее 10^-12 мм рт. ст.).

Проведение технологических исследований в области МЛЭ на установке «Тюльпан» на высотах орбитального полета позволяет использовать следующие преимущественные факторы орбитального полета:

• 1.    Глубокий вакуум (~10^-14- 10^-12 мм рт.ст.) и практически полное отсутствие кислорода и углеродсодержащих компонент в технологической зоне за ЗЭ. Полученные в таких условиях эпитаксиальные слои могут обладать рекордными характеристиками по чистоте и концентрации центров безизлучательной рекомбинации. Это экспериментально доказано в 1996 г. в программе США [10; 11].

• 2.    Близкие к предельно возможным скорость и производительность откачки компонент рабочего молекулярного пучка, создающие уникальную возможность для сверхбыстрой смены химического состава газовой фазы в зоне роста на поверхности подложки. Указанные факторы позволяют получать гетеропереходы с идеально резкими профилями.

• 3.    Практически полное отсутствие стенок рабочей камеры и возможность существенного уменьшения суммарной поверхности элементов технологической оснастки в зоне эпитаксиального роста. Это позволяет устранить накопление

  
  

• 4.    Возможность значительного увеличения

  Том 2

  V =7800 м/с

  

  Рис. 1. Уровни разрежения за ЗЭ при поперечном обтекании в условиях орбитального полета

  
  

• 5.    Возможность использования токсичных летучих жидкостей и газов (гидриды, металлор-ганические соединения) в качестве исходных материалов для синтеза пленок без загрязнения окружающей среды. Эти соединения быстро рассеиваются до безопасных концентраций и легко разлагаются на безопасные компоненты под действием солнечного ионизирующего излучения.

  Таблица 1

  
  

ранее распыленных веществ (эффект «памяти») и их неконтролируемый перенос в пленку при последующем росте других материалов и сочетать получение разнородных материалов без традиционного переноса подложки из одной ростовой камеры в другую. Кроме того, также появляется возможность увеличить количество независимых индивидуальных источников молекулярных пучков и получать сверхрезкие гетеропереходы и границы раздела между эпитаксиальными слоями, а также формировать многослойные структуры, содержащие большое число разных по соста-

¹²² ву слоев.

расстояния от подложки до источника молекулярного пучка. Этот фактор является основным параметром, определяющим однородность слоев по площади подложек, и играет особую роль при увеличении их диаметра.

Положение изобары р ≈ 10^–12 мм рт. ст. на оси аэродинамического следа

Рис. 2. Распределение давления по оси аэродинамического следа за ЗЭ при поперечном обтекании в условиях орбитального полета

Н [км]	250	300	350	400
x гр = xR ЗЭ	1,058	1,078	1,115	1,135

Таблица 2

Состав газовой фазы СВА

М	Нейтралы	Ионы	М	Нейтралы	Ионы
2	H 2 (ДУ)		28	N 2 (ДУ, НП, УТ)	N 2 + (ДУ, НП, УТ)
4	He (ДУ)		28	CO (ДУ)
14	N (ДУ, НП)	N+ (ДУ, НП)	30	NO (ДУ)	NO+ (ДУ)
16	CH 4 (ДУ)		32	O 2 (НП)	O 2 + (НП)
17	O (НП)	O+ (НП)	40	Ar (НП)
18	H 2 О	H 2 O+	44	CO 2	CO 2 +
19		H 3 O+ (ДУ)	103	Фреоны (21)

Создание высоковакуумной зоны в аэродинамическом следе за защитным экраном

Здесь М – массовое число составляющей газовой фазы; Г, ДУ, НП и УТ – соответствуют наименованиям источников СВА (газовыделе-ние, двигательные установки, набегающий поток и утечки из отсеков и систем ОК). В табл. 2 отсутствуют данные по «тяжелым» компонентам из-за ограниченной разрешающей способности по массовым числам, использованной в эксперименте «Астра-1» масс-спектрометрической аппаратуры.

Заключение

Результаты исследований сибирских ученых показали, что развивать крупномасштабное производство наноструктурных высокоэффективных космических солнечных батарей в России чрезвычайно важно для обеспечения программ космических исследований и обороноспособности страны, для развития систем космической связи, информационных и информационно-управ-