Пребывание в космосе 1 страница

Кратко охарактеризуем основные факторы космической среды и их проявление в состоянии конструкции, систем, оборудования и приборов КА.

1) Космический вакуум

Основной особенностью космоса как физической среды является чрезвычайная разреженность газообразной материи в нем. Когда давление газа значительно ниже атмосферного, то такое его состояние называется вакуумом. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. В вакуумной технике давление выражается в единицах, называемых “торр”, ”мм. ртутного столба, “Паскаль” (Па). “Торр” соответствует давлению 1 мм. рт. cт. Давление 760 мм. рт. cт. соответствует или ., поэтому .

Давление в космосе изменяется в широких пределах в зависимости от рассматриваемого пространства. Согласно астрономическим данным давление газа в межзвездном пространстве (в основном атомарного водорода) составляет приблизительно . Межпланетное пространство заполнено газовыми частицами в основном солнечного происхождения. Эти частицы эжектируются из солнечной короны, образуя потоки плазмы - солнечный ветер, состоящий, главным образом, из ионизированных водорода и гелия. Условия в межпланетном пространстве широко изменяются в зависимости от солнечной активности. Давление в среднем изменяется от до .

Наибольший практический интерес представляют данные о состоянии разреженного газа в околоземном пространстве. Атмосфера Земли на высотах более 100 км неоднородна как в отношении химического состава, так и по состоянию частиц. Так на высоте 100 км давление газа составляет приблизительно При этом основные компоненты атмосферы - . На высоте 200км давление составляет На высоте 300 км давление газа не превышает величину , а на высоте 1000 км давление составляет величину порядка .

Важной характеристикой состояния газа, зависящей от его давления, температуры и химического состава и определяющей характер и интенсивность протекания процессов переноса, является средняя длина свободного пробега молекулы ( ). Оценки , выполненные по известной из курса общей физики формулы Сюзерленда для воздуха при давлениях и температурах, соответствующих и , показали, что в первом случае , а во втором - . Таким образом, при длина свободного пробега молекулы превышает характерные размеры КА. Данное обстоятельство обуславливает способность космического пространства поглощать в неограниченных количествах газы и пары, которые выделяются с поверхности КА. То есть особенностью массопотерь в космосе является то, что мало частиц, улетающих с поверхности КА, возвращаются обратно. Эта особенность характеризуется так называемым коэффициентом возврата , определяемым отношением количества частиц, возвращающихся на КА в единицу времени, к числу частиц, покидающих его за то же время. В [8] отмечается, что при .

Давление газа на различные части КА в космосе не одинаково. На передние (по вектору скорости) части околоземного КА ( ) оно может на два порядка превышать статическое давление в данном месте пространства, а на задние части может быть на несколько порядков ниже. Это является следствием того, что скорость КА может существенно превосходить скорость теплового хаотического движения частиц в космосе. По этой причине для различных частей КА может отличаться и коэффициент возврата .

Наличие упорядоченной скорости движения газовой среды относительно КА приводит к кинетическому нагреву передней части его поверхности за счет взаимодействия с частицами набегающего газового потока. Часть кинетической энергии частиц, пропорциональная термическому коэффициенту аккомодации ( ) передается стенке в виде тепла. Кроме того выделение тепла на стенке происходит и вследствие возможных процессов рекомбинации диссоциированных молекул газа на сравнительно холодной стенке. При свободномолекулярном режиме течения газа плотность теплового потока , подводимого к элементу поверхности КА за счет столкновения с частицами воздуха можно определить с помощью простой формулы: , где - плотность газа, - угол между плоскостью элемента КА и направлением полета, ( ). Оценки показывают, что при .

Плотность теплового потока, подводимого к поверхности КА при реализации процессов рекомбинации диссоциированных молекул газа, как показывают оценки, приблизительно на порядок меньше .

Таким образом, имеет место неравномерное динамическое и тепловое воздействие разреженной космической газообразной материи на поверхность КА. При этом для околоземных аппаратов непосредственное тепловое воздействие газовых частиц на некоторые поверхности весьма существенно до высот . Этим воздействием можно бесспорно пренебречь лишь при . Но при этом необходимо отметить то, что разреженная газовая материя космоса уже начиная с высот, превышающих не является сколько-нибудь заметной теплопередающей средой. Оценки, проведенные в [9], свидетельствуют о том, что на таких высотах конвективным теплопереносом и теплопроводностью газа можно пренебречь. Следовательно, теплообмен между неконтактирующими друг с другом поверхностями в космосе может осуществляться в основном излучением и в особых случаях за счет таких массообменных процессов как сублимация, испарение, конденсация.

Космический вакуум может вызвать ускоренную сублимацию (испарение) поверхностных слоев материалов КА, приводящую к изменению их поверхностных свойств, в том числе к изменению радиационно-оптических характеристик. При этом для металлов вакуум не представляет особой опасности, исключая металлы с относительно высоким давлением насыщенных паров, такие как и . Так, например, при температуре 120 С лист из кадмия толщиной 2 за год может испариться полностью (при двустороннем испарении).

Большинство неметаллических материалов в большой степени подвержены изменениям в вакууме, особенно материалы, имеющие легколетучие компоненты. Изменения усугубляются одновременным (с вакуумом) воздействием жестких электромагнитных излучений и потоков заряженных частиц в основном солнечного происхождения. Особенно опасно испарение в вакууме для материалов, имеющих целевое назначение, например, для покрытий с определенными оптическими свойствами, для смазок трущихся частей (испарение смазки может привести к холодной сварке металлов), для работы оптической аппаратуры (иногда вакуумное испарение покрытия оправы или бленды объектива приводило к его помутнению из-за осаждения продуктов испарения).

В вакууме в результате удаления защитных газовых, а также оксидных пленок может существенно увеличиться коэффициент трения между соприкасающимися поверхностями, а также может измениться коэффициент термической аккомодации . Так коэффициент гелия на чистой поверхности вольфрама на порядок меньше в случае поверхности того же вольфрама, но покрытой адсорбированными молекулами. Очищение поверхности КА от слоя хемисорбированных или физически сорбированных молекул происходит после выхода в космос постепенно под воздействием внешних условий, в том числе под воздействием частиц набегающего потока газа, кинетическая энергия которых превосходит энергию связи адсорбированных атомов и молекул.

Важными являются также следующие явления, обусловленные космическим вакуумом: нагрузки от перепадов давления (внутри КА и снаружи); утечка хранящихся на борту КА газов ; разгон истекающих и стравливаемых газов до предельных скоростей; переохлаждение поверхностей при стравливании криогенных компонентов.

Нагрузка от перепадов давления в космосе довольна значительна. Любое абсолютное давление в замкнутых объемах - баках, в кабине экипажа, и т.д. – является, по сути дела, избыточным. Давление внутренних полостей таким образом нагружает конструкцию, что в итоге выливается в затраты массы.

Утечка газов в вакууме происходит не только из-за мельчайших зазоров в арматуре и уплотнениях, но и непосредственно через стенки заключающих их емкостей. Так, например, гелий, имеющий температуру 600 С и давление 60 ( ), проникает сквозь стенку трубы из нержавеющей стали в окружающее пространство, где поддерживается давление , при толщине стенки трубы со скоростью . Заметим, что - нормальный литр, т.е. 1 газа при нормальных условиях. Утечка водорода при тех же условиях больше примерно в раз, а утечка азота приблизительно в три раза меньше, чем у водорода. Такое сравнение еще не означает, что гелий сохраняется лучше, чем другие газы. Дело в том, что атомы гелия имеют очень маленький относительный размер и вследствие этого гелий интенсивно вытекает через малейшие щели. У водорода размер молекул больше, он не так интенсивно вытекает через щели, но очень сильно диффундирует через стенки из-за своей химической активности. Истекающие в вакуум газы разгоняются до больших скоростей, поэтому порождают довольно значительные возмущающие силы, которые необходимо компенсировать средствами ориентации.

Переохлаждение конструкции при стравливании криогенных жидких компонентов, особенно переохлаждение стравливающих штуцеров и пористых поверхностей, происходит по двум причинам: во - первых, из-за отбора от этих элементов теплоты испарения, во - вторых, из-за расширения потока стравливаемого газа. Это расширение иногда сопровождается настолько интенсивным отбором тепла, что в потоке могут образоваться центры кристаллизации паров стравливаемого компонента.

Вакуум может вызвать возникновение токов утечки, разрядов, пробоев, а также других нежелательных электрофизических явлений при эксплуатации электронного и электротехнического оборудования КА. Продукты испарения могут попадать на относительно более холодные участки неизолированных электрических цепей и вызвать появление токов утечки, тем самым нарушая режим работы электронных схем.

2) Радиационные свойства космического пространства

Характерной особенностью космоса является практическое отсутствие излучения по всем направлениям, находящимся за пределами телесных углов обзора Солнца и планет. По оценкам плотность потока падающего из космоса излучения на элемент поверхности, который в силу своей ориентации не подвергается воздействию излучения, исходящего от Солнца и планет, составляет величину, приблизительно равную . Такая плотность потока излучения свойственна абсолютно черному телу с температурой . Поэтому при характеристике космического пространства употребляют термин “холодный” космос.

В условиях космоса излучение, испускаемое поверхностью КА, назад практически не возвращается, даже если это излучение испускается в сторону находящейся вблизи планеты. То есть космическое пространство можно считать идеальным поглотителем, поэтому говорят о “черноте” космического пространства.

3) Невесомость.

Невесомость – состояние материального тела, при котором действующие на него внешние силы не вызывают взаимных давлений частиц друг на друга [11]. Невесомость возникает при свободном движении тел в поле только одних гравитационных сил.

Состояние невесомости порождает ряд проблем физического и биологического характера. Так одной из физических проблем, появившейся при организации космических полетов, - проблема работоспособности и, в частности, запуска двигательных установок, работающих на жидких, а особенно на криогенных компонентах. Дело в том, что в невесомости компоненты жидкого топлива могут занимать произвольное положение относительно заборника, а необходимым условием запуска двигателя является наличие сплошности жидкого компонента на входе в двигатель. Подобная проблема возникает в связи с необходимостью разделения жидкой и газовой фаз в ряде агрегатов системы жизнеобеспечения и в топливных элементах.

Переход в невесомость сопровождается изменением условий и механизма теплообмена с участием жидкости и газа как теплопередающей среды. Не рассматривая всех аспектов влияния невесомости на физические процессы, протекающие в заполненных газом и жидкостью отсеках и устройствах КА (влияние на гидродинамику и гидростатику теплоносителей, на процессы конденсации и испарения), коснемся лишь самого важного вопроса, связанного с отсутствием естественной (гравитационной) конвекции в условиях космического полета, в то время как в наземных условиях гравитационная конвекция чаще всего имеет место и играет значительную роль в передаче энергии через газовую или жидкостную среду и, следовательно, в формировании теплового режима элементов объема или отсека, заполненного газом или жидкостью. Важность вопроса обусловлена тем, что результаты наземных экспериментальных исследований теплового режима КА из-за влияния естественной конвекции могут в ряде случаев существенно отличаться от того теплового режима, который будет иметь место в штатных условиях эксплуатации.

Большая группа проблем, возникающих при невесомости, касается ее биологического воздействия на живые организмы и прежде всего на человека. В невесомости центральная нервная система человека и рецепторы многих анализаторных систем (вестибулярного аппарата, мышечной системы, кровеносных сосудов и др.) находятся в необычных условиях функционирования. Поэтому невесомость рассматривают как специфический раздражитель, действующий на организм человека в течение всего космического полета.

4) Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца.

Считается, что основным источником солнечной энергии служит так называемая протон - протонная ядерная реакция, при которой из 4-х атомов водорода образуется один атом гелия. Ядерные реакции совершаются в центральной сверхплотной и сильно нагретой (приблизительно ) части Солнца, простирающейся от центра до его радиуса . В этой зоне электромагнитное излучение зарождается в форме - квантов высоких энергий. Эти кванты поглощаются атомами той части газа, которая расположена ближе к поверхности и где ядерные реакции из-за более низких температур и давлений невозможны. По мере перемещения к поверхности в результате многократного повторения процессов поглощения и излучения происходит трансформация - квантов в кванты рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения. Считается, что это происходит в так называемой зоне лучистого равновесия ( ). От поверхности Солнца до зоны лучистого равновесия простирается конвективная зона, в которой энергия переносится конвекцией. Видимая поверхность Солнца, называемая фотосферой, испускает практически всю приходящую к нам энергию электромагнитного излучения Солнца. Плотность потока исходящего от фотосферы излучения составляет приблизительно , что соответствует радиационной температуре .

Над фотосферой расположена солнечная атмосфера, внешняя часть которой, называемая короной, состоит из чрезвычайно разреженной плазмы с температурой, близкой к миллиону градусов. Хотя общее излучение короны приблизительно в миллион раз меньше общего излучения Солнца [11], однако она является источником интенсивного жесткого ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Излучение фотосферы и атмосферы изменяется во времени из-за так называемой солнечной активности.

На орбите Земли плотность потока излучения Солнца, падающего на площадку, перпендикулярную направлению на Солнце (солнечная постоянная ) изменяется из-за эллиптичности земной орбиты в пределах от 1350 до 1440 . Угловой диаметр наблюдаемого с Земли Солнца составляет приблизительно .

Зависимость спектральной интенсивности ( ) или спектральной плотности ( ) электромагнитного излучения Солнца от длины волны излучения ( ) имеет весьма сложный и изменчивый характер, зависящий от комплекса различных явлений в фотосфере и атмосфере Солнца. На рисунке 1 в виде графика представлена зависимость относительной величины спектральной плотности потока излучения Солнца от . Абсолютные текущие значения относились к максимальному значению этой величины, имеющему место при . На этом же рисунке в виде пунктирной кривой 2 изображена аналогичная зависимость для абсолютно черного тела с температурой , равной радиационной температуре Солнца. Для второй кривой масштаб зависимости относительной величины по оси ординат выбран исходя из условия равенства интегралов по для первой и второй кривой. Сопоставляя кривые 1 и 2 можно заключить, что видимая (0,38 - 0,75) и инфракрасная части спектров Солнца и абсолютно черного тела отличаются мало.

В ультрафиолетовой области спектра наблюдаются существенные отличия. Несмотря на то, что большая часть энергии электромагнитного излучения Солнца сосредоточена в длинноволновой части спектра ( ), коротковолновая его часть ( ) заслуживает особого внимания, т.к. коротковолновая радиация (ультрафиолетовое и рентгеновское излучение) является одной из причин, вызывающих деградацию наружных покрытий КА и, следовательно, изменение их радиационно-оптических свойств.

Следует заметить, что солнечная активность практически не изменяет ту область спектра, которая расположена правее . Существенно изменяется во время солнечных вспышек спектр рентгеновского излучения. Излучение становится жестче, плотность фотонов с возрастает на два порядка. Общая интенсивность излучения с возрастает более чем в два раза.

Помимо электромагнитного излучения Солнце постоянно испускает потоки заряженных частиц, представляющих собой главным образом ионы водорода, гелия, электроны. Эти потоки называются “солнечным ветром”. В результате взаимодействия этих частиц с геомагнитным полем возникает ударная волна. За ударной волной происходит захват заряженных частиц “солнечного ветра” магнитным полем Земли, что приводит к образованию зон захваченной радиации.

Поток солнечного излучения, падающий на поверхность КА и поглощаемый ею в той или иной степени в зависимости от величины коэффициента - поглощательной способности, может оказывать на эту поверхность двойственное воздействие: непосредственное тепловое и косвенное, проявляющееся со временем в виде возможного изменения радиационно-оптических характеристик поверхности. Изменение этих характеристик является результатом так называемых радиационных повреждений материалов, которые происходят в основном вследствие ионизации, электронных возбуждений, смещения атомов вещества, диссоциации химических связей в молекулах при поглощении фотонов больших энергий и взаимодействии с высокоэнергетическими заряженными частицами солнечного и галактического происхождения.

5) Исходящее от планет излучение

Исходящее от планет электромагнитное (тепловое) излучение можно условно разделить на две составляющие: отраженное солнечное излучение и собственное инфракрасное излучение, источником которого для планет земного типа в основном является поглощенная солнечная радиация.

Плотность, угловое распределение интенсивности и спектральный состав отраженного от планет солнечного излучения зависит от многих факторов: состава и физических характеристик атмосферы планеты, если она имеется, характера подстилающей поверхности и особенностей ее макрорельефа, от зенитного угла Солнца. Процесс отражения весьма сложен, особенно при наличии у планеты атмосферы. Так отраженное излучение Земли формируется в результате многократного обратного рассеивания на молекулах воздуха, каплях воды в облаках и частицах аэрозоля, а также за счет отражения от твердых и водных поверхностей. Для характеристики отражательной способности планеты в целом, отдельных участков ее поверхности, а в ряде случаев и отдельных компонент отражающей системы используется понятие альбедо, характеризующее долю отраженной радиации по отношению к падающей на данную поверхность. Когда речь идет об отражательной способности планеты в целом, то говорят о сферическом (глобальном) альбедо ( ). Отражательная способность участка поверхности планеты характеризуется локальным альбедо ( ).

Спектр отраженного от планет солнечного излучения в той или иной степени трансформируется в результате селективного поглощения излучения атмосферой планеты, если она имеется, и взаимодействия излучения с подстилающей поверхностью, которая является, как правило, не серой.

Индикатриса отражения, т.е. функция, характеризующая зависимость относительной величины интенсивности или направленной силы отраженного излучения от направления при различных значениях зенитного угла Солнца весьма изменчива и по времени и по географическим координатам. Но в целом, как свидетельствуют расчеты и наблюдения, эту индикатрису с удовлетворительной точностью можно считать диффузной.

Механизм формирования уходящего от планет собственного излучения чрезвычайно сложен (особенно для Земли) и определяется процессами поглощения, испускания, отражения и рассеивания излучения, но и особенностям протекания процессов сложного теплообмена (лучистого, конвективного и кондуктивного - в совокупности) в макросистемах, включающих в себя элементы подстилающей поверхности и атмосферы, если она имеется. Значительная неопределенность, изменчивость локальных по координатам и времени излучательных характеристик системы подстилающая поверхность – атмосфера побуждает использовать при расчете и экспериментальном моделировании внешнего теплообмена КА упрощенную модель собственного инфракрасного излучения Земли в космос. Модель, основанную на осреднении по поверхности и по времени радиационно-оптических характеристик элементов излучающей системы. Осреднение основано на допущении о равенстве нулю теплового баланса планеты. Предполагается, что поглощенная Землей или Венерой солнечная радиация полностью переизлучается затем в инфракрасной

области спектра некоторой равномерно нагретой в соответствии с поглощенной энергией эффективной сферической поверхностью, являющейся внешней границей оптически активного слоя атмосферы. В соответствии с этим предположением полусферическая поверхностная плотность потока собственного излучения Земли и Венеры определяется следующим простым соотношением [7]: . Если, например, для Земли принять , то , что соответствует радиационной температуре поверхности . В рамках такой модели предполагается диффузный характер излучения, то есть независимость в пределах полусферического телесного угла интенсивности собственного излучения Земли от направления. Спектральное распределение энергии собственного излучения нашей планеты, как впрочем и других планет и астероидов солнечной системы, принимается таким же, как у абсолютно черного тела с температурой равной радиационной температуре планеты.

6) Микрометеорные потоки и собственные выделения КА

В космическом пространстве движется большое количество метеоров - твердых тел от нескольких десятков километров до десятых долей микрометра в поперечнике. Число метеорных тел тем больше, чем меньше их масса (примерно обратно пропорционально ). Метеоры делятся на два класса: метеорные потоки (рои) и спорадические метеоры, не принадлежащие к метеорным потокам. Орбиты и параметры движения некоторых метеорных роев солнечной системы известны. Встреча с ними может прогнозироваться. Со спорадическими потоками встречи случайны. Повреждение конструкции, например пробой оболочки гермоконтейнера, может происходить при столкновении с метеорами массой . Установлено, что вероятность столкновения с такими метеорами, если они относятся к классу спорадических, мала. Вероятность пробоя при попадании в метеорный рой возрастает на порядок или даже на несколько порядков [4]. Частицы массой менее (метеорная пыль) не представляют непосредственной опасности для жизненно важных узлов КА, но они вызывают поверхностную эрозию материалов, причем наиболее интенсивная эрозия возникает при взаимодействии с частицами массой , поток которых достаточно велик. В результате эрозии полированные и зеркальные поверхности мутнеют, приобретая частично диффузные свойства, отражательная способность их снижается, оптические материалы также мутнеют, уменьшается их пропускательная способность.