Выбор критерия и учет состава пленок загрязнения при оценках совместного загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы и стационарных плазменных двигателей

При оценках загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы (СВА) и стационарных плазменных двигателей (СПД) возможно использование следующих критериев стойкости космического аппарата (КА) к воздействию следующих факторов: «интенсивности массовыделения»; «осажденность массы»; «оптическая деградация».

Критерий «интенсивности массовыделения» - простейший критерий, который ограничивает допустимые значения интегральных параметров массовыделения конструкционных материалов. Принимается условие, что если эти параметры не превышают установленных пределов, то при любых возможных вариантах конструктивнокомпоновочной схемы (ККС) КА, температурных режимах эксплуатации используемых материалов и покрытий, максимальный негативный эффект от загрязнения продуктами массовыделения не превысит допустимого значения и не приведет к сбоям и отказам функционирования бортовой аппаратуры КА. Согласно ГОСТ Р 50109-92, ограничения вводятся на общую потерю массы (ОПМ) материала и содержание в нем летучих конденсирующихся веществ (ЛКВ), допустимые значения которых равны 1,0 и 0,1 % соответственно.

Данный критерий чрезвычайно прост в использовании и не требует проведения каких-либо сложных вычислений. В то же время его использование не позволяет учесть вклад конкретного материала в загрязнение того или иного элемента КА и тип источников массовыделения. Кроме того, критерий «интенсивности массовыделения» не может быть применен при оценках загрязняющего воздействия СПД.

На следующем уровне сложности стоит критерий «осажденной массы», ограничивающий допустимое значение массы вещества m c , осажденного на поверхности КА. Для современных КА критическое значение осажденной массы m c составляет 10^-6^10^-5 г/см². Основным допущением при использовании этого критерия является предположение о постоянстве среднего состава и структуры пленок загрязнения, образующихся на поверхностях КА. Откуда следует, что изменение оптических свойств пленок загрязнения является функцией от m _c и не зависит от других факторов.

Неоспоримым преимуществом критерия «осажденной массы» является возможность дифференцировать различные источники массы по вкладу в загрязнение того или иного элемента. Но для его реализации необходимо проведение расчетов величин mc всех элементов КА, критичных к загрязнению, что приводит к дополнительным затратам и требует использования специализированного программного обеспечения.

Рассмотренные выше критерии определяют стойкость КА к загрязняющему воздействию СВА и СПД по массе выделяемого или осажденного вещества. Но в действительности стойкость КА определяется изменением оптических характеристик функциональных поверхностей КА (для отражающих поверхностей - коэффициентом отражения; для терморегулирующих - коэффициентами поглощения и излучения; для защитных (прозрачных) - коэффициентом пропускания). Поэтому наиболее достоверные оценки стойкости КА к загрязняющему воздействию СВА и СПД могут быть получены только при непосредственном рассмотрении деградации указанных выше характеристик. Это означает, что для повышения достоверности необходимо переходить от простых критериев «интенсивности массовыделения» и «осажденной массы» к более сложному критерию «оптической деградации».

В этой связи следует заметить, что использование в составе КА электроракетных двигателей и, как следствие, появление в составе пленок загрязнения дополнительной компоненты - продуктов распыления элементов конструкции КА, может привести к весьма значительным изменениям оптических характеристик функциональных поверхностей КА. Это обусловлено тем, что распылению подвергаются самые различные материалы, включая металлы и их сплавы, существенно изменяющие состав пленок загрязнения.

Исследования, проведенные в ФГУП «НПО прикладной механики имени академика М. Ф. Решетнева», показывают, что компоненты СВА и продукты распыления вносят определяющий вклад в формирование пленок загрязнения функциональных поверхностей КА [1; 2]. В связи с этим выявление зависимости изменения оптических характеристик функциональных поверхностей КА от состава и параметров пленок загрязнения является необходимым условием повышения точности и достоверности оценок стойкости КА к совместному загрязняющему воздействию СВА и СПД.

Наиболее сложной проблемой при определении изменения оптических характеристик функциональных поверхностей КА вследствие их загрязнения является недо- статок информации о свойствах пленок загрязнения. Для ее решения предлагается использовать интерполяционную модель [3].

Рассматривается оптическая система, состоящая из оптического покрытия (ТРП, оптика и т. п.) и осадка (пленки загрязнения) (рис. 1).

Рис. 1. Схема прохождения света через систему «покрытие-осадок»

В качестве параметров, характеризующих степень загрязнения покрытия, используются коэффициенты внутреннего пропускания солнечного ( t _s ) и теплового ( t _T ) излучения:

t s = e ^-в S'd ,                          (1)

t T = e ^в T d ,                         (2)

где в _s , в _T - интегральные коэффициенты затухания излучения в пленке.

По мере увеличения толщины осадка d, характеристики системы постепенно изменяются от характеристик покрытия ( t = 1 ) к характеристикам осадка ( t = 0 ). Скорость изменения характеристик будет тем больше, чем больше поглощение света в пленке.

Изменение коэффициентов отражения R s , пропускания T _s и поглощения A S солнечного излучения оптических покрытий может быть вычислено по следующим формулам:

R ‘ = R_s ⁽⁰⁾ (1 - t_s ² ) + R_s ⁽¹⁾ t_s ² - SS S SS

- Rs (0) Rs (1)(1 - ts 2) ts 2,

SS SS

TS = (1 - Rs (0)(1 - ts2)) ts-Ts(1),(4)

As = (1 - Rs(0)(1 - ts2))(1 - Rs(1) -ts2),(5)

Rs+ T‘ + A‘= 1,(6)

£T = £T1’ tT + £T0) (1 - tT ) ,(7)

где A s ⁰⁾, A T⁰ - коэффициенты поглощения солнечного и теплового излучения в пленке; T _s ^<0) = 0 (для осадка бесконечной толщины); R s ⁰⁾ = 1 - A ^⁰ ; R T ⁰⁾ = 1 - A T⁰ ; £ ⁽⁰⁾ = A T ⁰⁾ (согласно закону Кирхгофа).

Таким образом, для определения свойств загрязненного покрытия в видимом и инфракрасном диапазоне достаточно знать всего четыре параметра - A^ , A T ⁰⁾ и в _s , в _T .

Результаты оценки параметров модели для пленок, образованных различными источниками, представлены в таблице [3].

Так свойства пленок, образованных различными источниками органического происхождения, приблизительно совпадают. Это подтверждает обоснованность критерия осажденной массы для оценки загрязнений, образованных продуктами собственного массовыделения конструкционных материалов. Вместе с тем, значительное отличие свойств пленок алюминия говорит о необходимости учета состава пленок загрязнений, образованных компонентами СВА и продуктами распыления.

Для учета многокомпонентности необходимо рассмотреть влияние толщины и свойств каждой компоненты на интегральные коэффициенты затухания в и погло-щенияИ всей пленки.

Если пренебречь взаимодействием отдельных компонент, то коэффициент внутреннего пропускания многокомпонентной пленки загрязнения будет равен tе = t1 ' t2' К ■ tn ,                           (8)

где t _s - коэффициент внутреннего пропускания z-ой компоненты, который вычисляется по ее весовой толщине d i = m i I р i ( m i - удельная масса, р i - удельный вес компоненты).

Если принять, что коэффициент внутреннего пропускания многокомпонентной пленки описывается выражением t е = e ^ d ^Е ,                   (9)

то для коэффициента затухания можно получить следующее соотношение:

¹ d - '^e - = ^вЕ    I d -

I m в -

I m р -

Аналогичный подход можно применить к определению коэффициентов поглощения^. Поскольку эти коэффициенты отражают поверхностные свойства покрытия, то коэффициент поглощения многокомпонентной плен ки можно представить в виде

A e = A ^0 1 + A ■ 0 2 +К + A n -0 n ,       (11)

где 0 i - степень заполнения поверхности z-ой компонентой пленки загрязнения.

Поскольку 0 i = d i I d _Е ,то для A _E получаем следующее соотношение:

₌ ¹ dr А

^Л" I d- "

m

^ЕР - A

_I m р

Таким образом, соотношения (10), (12) позволяют оценить оптические характеристики многокомпонентных пленок загрязнения на основании информации о весовой толщине каждой компоненты и ее оптических характеристиках.

При совместном загрязняющем воздействии СВА и СПД пленки загрязнения можно считать двухкомпонентными, состоящими из продуктов собственного массовыделения конструкционных материалов внешних поверхностей КА и продуктов распыления, образующихся под воздействием плазменной струи СПД.

В качестве параметров модели для первой компоненты могут быть приняты усредненные значения, приведенные в таблице:

A S 0) -0,87; в s ,1    - 1(Гсм ';

А ^ -0,89;

в T , 1 -2 • 10³см ^

В качестве значений параметров второй компоненты, принимая, что продукты распыления - это металлы, могут быть приняты значения модели, полученные для пленок алюминия (таблица):

А (0 -0,023;

S ,2

в S ,₂ - 6,87Т0⁵см^-1;

A T 02 -0,024;

в T ,₂ =9,21 ^ 10⁶см^-1.

Полученные с использованием этих коэффициентов расчетные зависимости оптических свойств покрытия типа ОСО-С (OSR) от содержания металла в пленке загрязнения при фиксированном значении m c -10^-6г/см²п-редставлены на рис. 2, где заметное влияние на свойства покрытия начинается при содержании металла в пленке загрязнения около 5.. .10%.

Согласно научно-техническому отчету [1], в состав пленок загрязнения, образованных продуктами распыления, могут входить углепластик, компоненты кварцевого стекла, экранно-вакуумной теплоизоляции, алюминиевый сплав. Таким образом, их оптические характеристики будут отличаться от характеристик пленок загрязнения, образованных чистым алюминием. Поэтому для повышения точности и достоверности оценок стойкости КА к загрязняющему воздействию СВА и СПД необходимо провести эксперименты по определению зависимости изменения оптических характеристик пленок загрязнения, образованных указанными веществами.

Содержание маталла в пленке

Рис. 2. Зависимость оптических свойств покрытия от содержания металла в пленке загрязнения

Итак, для достоверных оценок стойкости КА к совместному загрязняющему воздействию СВА и СПД наиболее оптимальным является критерий «оптической деградации», учитывающий изменение оптических характеристик функциональных поверхностей КА вследствие их загрязнения компонентами СВА и продуктами распыления.

Влияние частиц металла, входящих в состав продуктов распыления, на свойства покрытий начинает проявляться при содержании металла в пленке загрязнения около 5_10%.

Для уточнения характеристик многокомпонентных пленок необходимо проведение экспериментальных работ по определению зависимости изменения оптических характеристик пленок загрязнения от их состава.