Характеристики некоторых метеорных потоков

* F_max — отношение суммарного метеорного потока к спорадическому метеорному потоку

Встречаются каменные и железные метеорные частицы, при­чем средняя плотность образуемых ими конгломератов состав­ляет 0,5 г/см³.

Максимальная скорость первичных метеорных частиц относи­тельно Солнца на расстоянии 1 а. е. равна 42 км/с, а относитель­но Земли, имеющей орбитальную скорость 30 км/с, – 12 км/с, если частица догоняет Землю, или 72 км/с – если она летит навстречу Земле. Для расчетов принимают среднюю скорость 30 км/с.

Дробление комет, астероидов, а также крупных планет и их спутников при столкновении с метеорами приводит к заполнению всей Солнечной системы мельчайшей твердой пылью.

Корпускулярное излучение (радиация) – потоки электрически заряженных частиц высокой энергии (ядер атомов химических элементов, электронов и протонов) солнечного или га­лактического происхождения. Оно представляет опасность, прежде всего для человека и может влиять на работу электронной аппа­ратуры и свойства некоторых материалов. В наземных условиях это влияние отсутствует, так как Земля защищена от потоков час­тиц, создающих наибольшую опасность, магнитным полем и ат­мосферой.

В межпланетном и околоземном пространстве корпускуляр­ное излучение наблюдается в виде солнечного ветра, солнечного и галактического космического излучений и излучения радиацион­ного пояса Земли.

Солнечный ветер – непрерывное радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство, содержит ~90% протонов, ~9% ядер гелия и 1% других более тяжелых ионов. В последнее время под солнечным ветром подразумевают измеряемый вблизи Земли поток частиц солнечного происхождения с энергией до 10⁶ эВ.

Солнечный ветер определяет структуру и величину межпланет­ного магнитного поля, силовые линии которого вытянуты вдоль линий тока солнечного ветра и имеют форму спирали Архимеда, закручиваемой вращением Солнца. Это магнитное поле влияет на распределение интенсивности галактических космических лучей в Солнечной системе, препятствуя их проникновению в ее внутрен­ние области.

Солнечный ветер благодаря давлению отклоняет хвосты комет, «выметает» из Солнечной системы газ и мельчайшие частицы кос­мической пыли, определяет характер геомагнитных возмущений и связанных с ними других геофизических явлений, является одним из источников пополнения заряженными частицами радиационного пояса Земли.

Солнечное космическое излучение (СКИ) – ин­тенсивные потоки частиц высокой (от 10⁶ до 2·10¹⁰ эВ) энергии, генерируемые Солнце во время сильных вспышек. В состав СКИ входят в основном протоны, обнаружены также ядра с зарядом z ≥2 и электроны с энергией ≥ 40 кэВ.

Сильные вспышки сравнительно редки и длятся не более су­ток, но в это время именно солнечные космические лучи опреде­ляют радиационную обстановку в межпланетном пространстве.

Галактическое космическое излучение (ГКИ) – потоки частиц, возникающие вне пределов Солнечной системы и состоящие из ~94% протонов, ~5,5% ядер гелия и небольшого количества тяжелых ядер. Средняя энергия частиц ГКИ, наблю­даемых около Земли, составляет 10¹⁰ эВ, причем энергия некоторых из них может достигать 10²⁰ эВ и выше, т. е. во много раз превос­ходит максимальную энергию, полученную на Земле с помбщью ускорителей заряженных частиц. Поток частиц движется с реляти­вистскими (близкими к скорости света) скоростями. Его интенсив­ность практически одинакова во всех направлениях, увеличивается по мере удаления от Солнца (что связано с действием межпланет­ного магнитного поля) и имеет колебания (в 2 раза) в противофазе с изменением периодов солнечной активности.

По своей проникающей способности галактические космические лучи превосходят все другие виды излучений, кроме нейтрино.

Излучение радиационного пояса Земли — интенсивные потоки электронов и протонов, захваченных магнитным полем Земли и заполняющих всю магнитосферу (область околоземного пространства, занимаемая магнит­ным полем Земли).

Захваченные частицы под действием магнитного поля совер­шают колебательное движение по широте (по траектории, пред­ставляющей собой спираль с переменным шагом, как бы «нави­вающуюся» на силовую линию) и «дрейф» по долготе (электроны смещаются на восток, протоны и другие положительные части­цы – на запад), образуя так называемую радиационную зону (пояс) в виде торообразного кольца, охватывающего .Землю в плоскости геомагнитного экватора на высоте от нескольких сотен до десятков тысяч километров.

Электроны и протоны различных энергий распределяются в радиационном поясе Земли дифференцированно (рис. 1.12). Элек­троны и протоны сравнительно низких энергий почти равномерно заполняют магнитосферу Земли. Протоны высоких энергий (Е_р ≥ 30МэВ) с максимальной плотностью потока ~2·10⁴ протон·с^-1·см^-2 сконцентрированы в области 1–2 R_З(радиус Земли, равный 6378 км), т. е. в обла­сти условно выделяемого внутреннего пояса радиации, который располагается ближе к поверхности Земли, а электроны высоких энергий (Е_е ≥ 150кэВ) с максимальной плотностью потока ~1·10⁷ электрон · с^-1 · см^-2 – в области 4–5 R_З, т. е. в области условно выделяемого внешнего радиационного пояса.

Рис. 1.12. Структура радиационных поясов:

1 – внутренний радиационный пояс (Е_р > 30 МэВ); 2– внешний радиа­ционный пояс (Е_е > 150 кэВ); 3– зона неустойчивой радиации (Е_е > 40 кэВ); 4– пояс протонов малых энергий (Е_р > 100 кэВ)

Область внутреннего пояса радиации практически не изме­няется от солнечной и магнитной активности, тогда как область внешнего пояса заметно зависит от солнечной активности и вре­мени суток.

Если галактические и солнечные космические лучи наиболее опасны в межпланетном пространстве, то радиационный пояс представляет наибольшую опасность при полетах в околоземном пространстве.

В магнитосфере Земли помимо естественного радиационного пояса могут существовать и искусственные радиационные пояса из заряженных частиц, образующихся в результате ядерных взры­вов. Так, сравнительно слабые радиационные пояса возникли в ре­зультате взрывов, выполненных в конце лета 1958 г. по програм­ме «Аргус» (США); радиационный пояс большой интенсивности образовался в результате американского термоядерного взрыва «Старфиш», произведенного над о. Джонстон 9 июля 1962 г. Центральная часть пояса с плотностью потока электронов более 1·10⁹ электрон (H·см^-2 была расположена на высоте 3000–6000 км от поверхности Земли в плоскости экватора. Искусствен­ные радиационные пояса к настоящему времени практически пол­ностью распались.

Основным источником электромагнитных излучений в Солнечной системе является Солнце.

Земная атмосфера имеет только два небольших «окна проз­рачности» для солнечной радиации: «оптическое окно» (длина волн от 3·10^-7 до 4·10^-7 м) и «радиоокно» (длина волн от 8·10^-3 до 15 м). Радиоизлучение заметно ослабляется ионосферой при длинах волн от 15 до 40 м и полностью поглощается в остальной части спектра атмосферой Земли и до ее поверхности не доходит.

В космическом пространстве КА будет испытывать воздействие излучения Солнца во всем спектре длин волн. Так как интенсив­ность излучения Солнца в основной части спектра практически не зависит от солнечной активности, его обычно характеризуют ве­личиной «солнечной постоянной» — потоком солнечной энергии, падающим в единицу времени под прямым углом на единичную площадку, расположенную на определенном расстоянии от Солн­ца. Применительно к земным условиям (т. е. к удалению от Солн­ца в 1 а. е.) солнечная постоянная за границей земной атмосферы Е_С = 0,136 Вт/см².

Для других областей межпланетного пространства солнечная постоянная

где Е_С– солнечная постоянная на расстоянии в 1 а. е.; R – расстояние от Солнца, а. е.

Излучение Солнца является основным внешним источником тепла, влияющим на тепловой режим КА.

Излучение видимой части спектра определяет условие осве­щенности естественных и искусственных небесных тел.

Энергия солнечного излучения может быть преобразована с помощью фотоэлектрических преобразователей (солнечных бата­рей) в электрическую энергию и использована для электропита­ния бортовых систем КА.

Солнечный свет оказывает давление на освещенные части тел. Давление солнечного света на площадку, перпендикулярную сол­нечным лучам, при условии полного поглощения определяется вы­ражением

где р_о=4,547·10^-6 Н/м² = 0,5 мг/м² – давление солнечного света на расстоянии 1 а. е.

Оно оказывает возмущающее действие на траекторию движе­ния КА, причем тем больше, чем меньше масса КА и больше поверхность, на котбрую давят солнечные лучи. Существует идей использования давления солнечного света в двигательных систе­мах «солнечный парус», называемых так по аналогии с обычным парусом.

Излучение с длиной волны меньше 3·10^-7 м, называемое ко­ротковолновым, является ионизирующим, представляет опасность для незащищенных живых организмов и может вызывать измене­ния поверхностных свойств материалов наружных устройств КА.

Радиоизлучение Солнца опасности для человека не представ­ляет, но может явиться помехой для связи КА с Землей во время солнечных вспышек.

Факторы космического пространства и их влияние на работу элементов конструкции космического аппарата и человека

Условия работы систем КА и его конструкционных элементов связаны с влиянием глубокого вакуума, с электромагнитной и корпускулярной радиацией, с метеорной опасностью, со своеобразными тепловыми режимами, широким диапазоном статических и вибрационных перегрузок.

После выхода в космос аппарат создает вокруг себя облако газа из испаряющегося материала, рабочего тела системы ориентации и стабилизации, воздуха из пористых материалов теплозащиты и конструкции. Во время длительного пребывания аппарата в глубоком вакууме постоянно испаряются конструкционные материалы, покрытия и смазки.

Электрические и радиоэлектронные блоки размещаются в герметичес­ких отсеках со специальной атмосферой, так как при их работе используются диэлектрические свойства газа. Газ отсека является и теплоносителем, который участвует в поддержании расчетного теплового режима.

Космическая радиация влияет на физико-химическую структуру материалов, их прочность, агрегатное состояние, цвет и вызывает ионизацию среды, где функционируют приборы.

Метеорная опасность связана с эрозией поверхности, изменяющей ее оптические характеристики и, следовательно, тепловой режим аппарата. Возможен пробой оболочки герметических отсеков со всеми вытекающими отсюда последствиями. Изменяются характеристики солнечных батарей.

Большие перегрузки при выведении КА на орбиту и особенно при спуске на поверхность планеты и контакте с поверхностью требуют новых конструктивных и приборных решений.

Невесомость усложняет работу систем с жидкими и газовыми рабочими телами, требует учета смачиваемости, поверхностного натяжения жидкостей, отсутствия свободной конвекции.

Для КА необходима высокая надежность, стабильность работы агрегатов в столь своеобразных условиях в течение времени, измеряемого годами. Требуется подробный анализ влияния указанных факторов на элементы аппарата, поиск таких конструктивных решений, при которых рабочие условия агрегатов определяются с большей достоверностью и точностью.

При разработке КА в качестве стандартных выбирают некоторые единые условия по внешним воздействиям. Количественно внешние условия характеризуются следующими параметрами: интенсивностью внешнего теплового воздействия на уровне 1400 Вт/м²; спектральным составом и параллельностью светового потока, соответствующими солнечному потоку на орбите Земли; давлением окружающей среды не выше 10^–3 ...10^–4 Па.

Нагрузки, определяющие принципы построения силовой схемы агрегатов и их прочностные характеристики, подразделяются на ряд типов: наземной эксплуатации и предстартовой подготовки (транспорти­ровка, такелажные операции, подъем в вертикальное положение, стоянка на старте при воздействии ветра); активного участка полета (тяга двигателей разгонных ступеней и инерционные силы, аэродинамические силы с учетом порывов ветра и струйных течений, вибрации с широким спектром частот 10...2500 Гц
вследствие пульсации тяги и колебаний компонентов топлива в
трубопроводах из-за колебаний корпуса при прохождении критического
числам М = 0,9...1,1); разделения ступеней, раскрытия элементов, стыковки объектов (срабатывание пиротехнических и прочих замков-толкателей, установка на замки раскрывающихся элементов, работа стыкующих элементов, демпферов); номинальной работы агрегатов (внутреннее давление в камерах двигателей, в баллонах, баках, в пневматических и пиросистемах, в
приборных отсеках, рабочие нагрузки подвижных механизмов); входа в атмосферу (аэродинамические, инерционные нагрузки); парашютирования (нагрузки при раскрытии парашюта); посадки (нагрузки при контакте с поверхностью планеты).

Система транспортировочных и такелажных точек выбирается
таким образом, чтобы наземные напряжения не превышали полетных.
В том случае, если системы крепления статически определимы, легко
определяются их расчетные случаи. Поскольку такелажные и транспорт­ные операции происходят в присутствии людей, вблизи дорогостоящего
оборудования, коэффициент безопасности для этих видов нагружения
f = 2,0. Транспортировочные перегрузки достигают значений n = 2...4.

На активном участке полета максимальное нагружение элементов
КА имеет место в конце работы одной из ступеней, когда текущее
значение тяги максимально, а масса минимальна (n_х = 3...12).

Особое значение имеет момент отсечки тяги первой ступени, когда ракета испытывает максимальное знакопеременное колебательное нагружение. При этом действующая нагрузка может в два и более раз превышать значение, определенное без учета динамики отсечки тяги. При анализе такого нагружения ракета-носитель приводится к модели, состоящей из дискретных масс, соединенных пружинами.

Полетные вибрации имеют сложный спектр, характеризуемый экспериментальной монотонно возрастающей функцией «продольная перегрузка – частота» n_х – ν (табл. 1.8). Продолжительность действия вибраций τ приводится для типичного носителя со временем выведения около 750 с.

Таблица 1.8