Моделирование космического вакуума.

Требования к моделированию

Многообразие изучаемых процессов и физических условий в космосе приводит к необходимости дифференцированного подхода к решению задачи выбора способов и параметров лабораторного моделирования воздействия космического вакуума.

При исследовании теплового состояния КА системы, моделирующие космический вакуум, призваны обеспечить выполнение следующих условий:

- Давление газовой среды в экспериментальной установке должно быть настолько малым, чтобы теплообмен между неконтактирующими поверхностями осуществлялся в основном излучением.

- Коэффициент возврата частиц, покидающих поверхность КА в экспериментальной установке, должен быть пренебрежимо малой величиной.

- Необходимо (по возможности) исключить попадание на исследуемый объект паров органических веществ (масел), источником которых являются откачные средства систем вакуумирования.

Выполненные в [9] оценки величины давления газовой среды, при котором в экспериментальной установке, как и в космосе, можно пренебречь теплопередачей за счет теплопроводности остаточного газа, свидетельствуют о том, что давление на уровне является вполне приемлемым в установках, предназначенных для исследования тепловых режимов КА.

Необходимость моделирования условий, при которых коэффициент возврата является, как и в космосе, пренебрежимо малой величиной, обусловлена, главным образом, тем, что от величины этого коэффициента может существенно зависеть степень загрязнения поверхности КА продуктами собственного выделения. В лабораторных условиях коэффициент определяется следующим выражением [6]:

(1),

где - вероятность захвата молекулы стенкой экспериментальной установки, - вероятность попадания отраженной от стенки молекулы вновь на объект. Величина зависит от соотношения размеров, геометрической формы исследуемого объекта и экспериментальной установки, а также от характера отражения молекул. При диффузном отражении, например, для сферической вакуумной камеры и сферического объекта коэффициент можно принять равным квадрату отношения диаметра объекта и камеры ( ). Если, допустим, , то . Величина определяется выражением (2),

где - относительная величина площади откачивающей поверхности установки (по отношению к площади поверхности установки), - эффективный коэффициент откачки стенок установки. Коэффициент для разных газов различен. Неодинаков для них будет и коэффициент , поэтому обычно говоря о коэффициенте возврата по определенному газу, например, по азоту.

Из соотношений (1) и (2) следует, что пренебрежимо малое значение может быть реализовано при близком к 1, что может быть достигнуто в том случае, если молекулярной ловушкой являются стенки вакуумной установки. Допустим, , , , тогда , то есть вакуумные условия в этом случае приближаются к космическим. Если, предположим, , то при и , то есть покинувшая объект молекула в среднем 10 раз может вернуться назад на объект. Адсорбируясь на каких - то поверхностях КА эти молекулы могут вызвать изменение поверхностных свойств, в частности, радиационно-оптических.

Таким образом, откачные устройства, моделирующие космический вакуум, должны являться частью внутренней поверхности установки. Это диктуется также необходимостью реализации в вакуумных установках огромных значений объемной скорости откачки при больших газовыделениях испытуемых объектов.

Способы моделирования

Структура системы моделирования космического вакуума определяется в основном составом подлежащих откачке газов и паров, а также требуемой величиной вакуума. Система предназначена для вывода вакуумной установки на рабочий режим по давлению и поддержанию этого режима в течение длительного времени при наличии газоотделения от объекта испытаний и периодических газовых выбросов. Должен откачиваться, в первую очередь, атмосферный воздух или другой балластный газ, которым заполнена вакуумная установка до начала откачки, кроме того, пары и газы, выделяющиеся из КА и их элементов и состоящие из , летучих компонентов уплотнений, изоляции проводов, терморегулирующих или просто лакокрасочных покрытий, летучих веществ из теплозащитных и теплоизоляционных материалов и т. п.

В связи с многообразием откачиваемых газов и паров, а также ограниченностью технических средств, позволяющих одинаково эффективно откачивать газ в диапазоне давлений от атмосферного ( ) до рабочего ( ), обеспечивая при этом реализацию нужных больших, как правило, объемных скоростей откачки, одновременно используются насосы различных типов: насосы предварительной, основной и вспомогательной откачки.

Насосы предварительной откачки (форвакуумные) предназначены для начального вакуумирования (до т.е. до ), после чего начинают действовать насосы основной и вспомогательной откачки.

Насосы основной и вспомогательной откачки предназначены для откачки газов и паров в рабочем диапазоне давлений и имеют большую объемную производительность. Вспомогательная откачка действует одновременно с основной и необходима вследствие избирательного откачного действия насосов основной откачки.

Для основной откачки применяют насосы, так называемого, поверхностного действия, использующие в максимально возможной степени внутреннюю поверхность установки. Это, главным образом, криогенные насосы конденсационного типа. Работа их основана на вымораживании откачиваемых паров и газов, т.е. образовании твердой или жидкой фазы откачиваемого газа на криоповерхностях и, следовательно, в понижении парциального и суммарного, тоже, давления паров и газов в откачиваемом объеме. Криоконденсация может эффективно применяться для откачки газов, равновесное давление насыщенных паров которых при температуре криоповерхности является более низким, чем требуемое давление. Для каждой температуры имеются свои, так называемые, неконденсируемые газы с равновесным давлением насыщенных паров, превышающим заданное. Так при температуре жидкого ( ) не конденсируются инертные газы с равновесным давлением насыщенных паров порядка , водород; при температуре жидкого водорода ( ) не конденсируется водород и гелий; при температуре жидкого гелия не конденсируется гелий и частично водород. Вот почему при использовании криоконденсационных насосов для основной откачки для получения сверхнизких давлений одновременно необходимо использование насосов вспомогательной откачки.

Криогенные насосы конструктивно выполняются в виде криорешеток, по внутренним каналам которых циркулирует хладагент. Схемы решеток могут быть различными. Используют и комбинированные решетки. Одни охлаждаются жидким или кипящим азотом и располагаются так, чтобы воспринимать тепловое излучение, исходящее от испытуемого объекта, имитаторов внешних тепловых потоков, стенок вакуумной камеры. Другие - охлаждаются холодным газообразным ( - ) или жидким ( ) гелием и заключаются в промежутках между элементами азотных решеток таким образом, чтобы не подвергаться воздействию чрезмерной тепловой нагрузки и, в то же время, выполнять функции крионасоса. Экранирование наиболее холодных поверхностей ухудшает, конечно, характеристики откачки этих устройств, но значительно повышает их экономичность. В целом криорешетки обеспечивают внутренним поверхностям моделирующих установок высокую эффективность откачки и низкий возврат.

В качестве насосов вспомогательной откачки в современных установках используются комбинации насосов различных типов.

Ранее в качестве насосов вспомогательной откачки применялись только паромасляные диффузионные насосы, присоединяемые извне к вакуумной камере с помощью соединительных патрубков. Такая внешняя откачка неприемлема в качестве основной по причине недостаточности объемной скорости, ограниченной вакуумной проводимостью соединительных патрубков. Для обеспечения в больших установках приемлемых скоростей откачки с помощью паромасляных диффузионных насосов, т.е. для осуществления основной откачки потребовалось бы размещение вне установки многочисленных насосов, что вызовет появление конструктивных и эксплуатационных трудностей и приведет к усиленной миграции масла в рабочий объем установки. Появление потока паров масла внутри моделирующей установки является недопустимым из-за загрязнения поверхности КА и оптических элементов имитаторов лучистых потоков вследствие конденсации на них паров масла. Можно существенно уменьшить, но не исключить, миграцию масла, применяя специальные клапанные устройства и охлаждаемые жидким азотом ловушки. Вместо вакуумного масла в диффузионных насосах может использоваться и ртуть. В этом случае насосы называются ртутными пароструйными.

Более перспективными для вспомогательной откачки являются крисорбционные насосы и электрофизические средства откачки. Криосорбционная откачка происходит в результате физической и химической адсорбции газов на специальных охлаждаемых твердых телах (сорбентах). Используются, в основном, два метода криосорбционной откачки: 1) Адсорбция газов на охлаждаемых металлических пленках, непрерывно напыляемых на подложки в процессе откачки. 2) Адсорбция газов охлажденными пористыми телами. Первый метод основан на физическом и химическом связывании газов поверхностями, на которые в процессе работы наносятся слои активных веществ - геттеров. Использующийся металл (геттер) осаждается на охлаждаемой подложке в виде пленок, сорбирующих откачиваемые газы. В качестве газопоглотителей применяют пленки титана, вольфрама, палладия, никеля и других металлов. Наиболее широко используют пленки титана. Титановые геттерные насосы имеют достаточно высокую начальную удельную скорость откачки для наиболее распространенных типов газов: и др. Однако инертные газы этими насосами откачиваются плохо. Геттерным насосам свойственны и другие недостатки: проникновение паров металла – геттера в откачиваемый объем, малая скорость откачки органических соединений и снижение производительности при откачке органических соединений и углекислого газа.

Другой метод криосорбционной откачки основан на использовании в качестве адсорбентов мелкопористых веществ (активированного угля, силикагелей, цеолитов). Адсорбент необходимо периодически регенерировать (восстанавливать адсорбционные свойства) путем нагрева в вакууме для десорбции адсорбента.

Принцип действия электрофизических средств откачки основан на различных комбинациях способов генерации пара геттеров, ионизации молекул откачиваемых газов и ускорения образованных ионов с последующим протеканием различных физико–химических процессов при взаимодействии частиц с поверхностью сорбции. По методу нанесения геттерных покрытий различают ионно-геттерные, магнитные электроразрядные и комбинированные насосы.

Принцип работы ионно-геттерных насосов основан на удалении молекул откачиваемого газа в результате его ионизации, испарения химически активных металлов, хемосорбции активных газов, внедрения ионов инертных газов и их “замуровывания”. Функционально насос разделяется на испарительную и ионизационную системы. Ионизационная система используется также и для диссоциации сложных молекул - паров воды, метана, тяжелых углеводородов. Откачка в ионно-геттерных насосах происходит в результате ускорения ионов откачиваемого газа электрическим полем с последующим внедрением и “ замуровыванием’ обновляемыми слоями геттерного покрытия.

В магнитных электроразрядных насосах для ионизации газа и распыления геттерного материала используется разряд в скрещенных электрических и магнитных полях - разряд Пеннинга. Механизм откачки газа этими насосами во многом сходен с механизмом, определяющим работу испарительных геттерных насосов, но интенсивная ионизация и диссоциация молекул откачиваемого газа в газовом разряде дает возможность использовать насосы этого типа как эффективное средство откачки инертных газов и углеводородов.

Комбинированные насосы представляют собой совокупность нескольких откачных средств, размещаемых в едином корпусе: адсорбционного и испарительно-геттерного насосов, испарительно-геттерного и электроразрядного насосов и др. Целесообразность подобных комбинаций определяется тем, что геттерные насосы эффективно откачивают химически активные газы, но не пригодны для откачки инертных газов и углеводородов.

Для вспомогательной откачки используют и турбомолекулярные вакуумные насосы, содержащие ряд статорных и роторных дисков с радиальными косыми пазами. При вращении ротора насоса молекулам откачиваемого газа сообщается импульс в направлении выпускного патрубка. Динамический напор молекулярного газа, образующийся вследствие импульса, уравновешивает перепад давлений в проточной части насоса, которую составляют диски с пазами. Турбомолекулярные вакуумные насосы имеют ряд следующих преимуществ перед другими средствами вакуумной откачки: обладают способностью откачивать все газы независимо от их химической активности, молекулярного веса, величины давления насыщенных паров при той или иной температуре; не загрязняют среду откачиваемого объема парами углеводородов или другими рабочими телами, как диффузионные, геттерные насосы и др.; имеют большую быстроту действия при откачке газов с малой молекулярной массой, обычно трудно удаляемых из высоковакуумных систем. Предельное разряжение на входе турбомолекулярных насосов составляет приблизительно при форвакууме порядка .