Космические воздействия

Космические воздействия образованы совокупностью следующих факторов:

- электромагнитных и корпускулярных излучений,

- глубокого вакуума,

- лучистых тепловых потоков,

- невесомости,

- метеорных частиц,

- магнитных и гравитационных полей планет и звездзвёзд и др.

Выделяют три среды: межзвёздную, межпланетную, атмосферу планет и их спутников. Межзвёздная среда состоит из межзвёздного газа и мельчайших твёрдых частиц, пыли, заполняющих пространство между звёздами. Межзвёздная среда вблизи Солнца переходит в межпланетную среду, которая заполняет пространство между планетами Солнечной системы. Межпланетная среда состоит из расширяющегося вещества солнечной короны – ионизированных атомов водорода (90%), атомов гелия (9%). Наибольший интерес при эксплуатации ЭУ представляет атмосфера Земли, в основном ее внешняя часть – экзосфера.

Изменение параметров атмосферы Земли с высотой

Здесь температура характеризует лишь кинетическую энергию частиц газа, которая не оказывает прямого влияния на температуру открытых поверхностей ЭУ, установленных на космических объектах, в силу большой разреженности среды.

Эксплуатация в космосе характеризуются воздействием на ЭУ корпускулярных излучений. Поток элементарных частиц высокой энергии, преимущественно протонов, ядер гелия (a- частиц) и ядер более тяжёлых элементов приходит на Землю изотропно из удалённых областей Галактики. Это первичные космические лучи. Взаимодействуя с атомными ядрами воздуха, они рождают в атмосфере вторичное излучение, которое составляют все известные элементарные частицы. Для ЭУ на космических аппаратах существенное влияние имеют радиационные пояса, которые представляют собой стабильные области заряженных частиц, задержанных и удерживаемых магнитным полем Земли, и метеорные частицы, имеющие скорости до 72 км/с.

Под влиянием солнечной радиации изменяются физико-химические свойства многих материалов. Полиэтилен при хранении в темноте не изменяет своих свойств в течении многих лет, однако его срок службы под действием солнечной радиации – 6 мес. Ультрафиолетовое облучение активирует и поверхность металлов, влияя на скорость их коррозии.

Радиационная стойкость электронных элементов в основном определяется изоляционными материалами. Радиационные излучения приводят к изменению внутреннего строения молекул изоляционных материалов. Склонность к образованию пространственной структуры под воздействием радиации выражена тем ярче, чем выше молекулярный вес полимера. Облучённый полимер обладает большей прочностью, большим модулем упругости и меньшей газопроницаемостью, чем необлучённый. Однако образование поперечных связей, число которых растёт с дозой облучения, вызывает появление в материале внутренних напряжений и повышает его хрупкость. Воздействие большой дозы радиации на фторопласт вызывает деструкцию его макромолекул, что приводит к резкому ухудшению его физико-химических свойств, вплоть до образования порошка с выделением фтора. Таким образом, применение соединителей в условиях радиационного излучения должно производиться с учётом радиационной стойкости изоляционных материалов.

Механические воздействия

При эксплуатации и транспортировке ЭУ подвергаются механическим воздействиям: вибрационным, ударным и линейным нагрузкам, а также звуковому давлению (акустическим шумам). Требования по механическим нагрузкам на ЭУ постоянно ужесточаются.

Вибрация – один из самых опасных и распространённых видов механических воздействий. Вибрация – колебания самого изделия или частей его конструкции. Вибрации приводят к поломкам конструкции, обрывам проводов и кабелей, нарушению герметичности, механическим напряжениям и деформациям в ЭУ. Наиболее часто вибрационные нагрузки возникают в бортовой электронной аппаратуре. Вибрации зависят от места расположения ЭУ, способа монтажа и крепления. Установившиеся вынужденные колебания определяются гармонической функцией. Амплитуда колебаний зависит не только от параметров системы и возбуждающей силы, но и от частоты w. Чем выше добротность механической колебательной системы, тем меньше затухание колебаний и тем острее пик резонансной кривой. Если частота w возбуждающей силы совпадает с собственной частотой w₀ механической системы, то возбуждается резонансное колебание. Нагрузки на ЭУ возрастают в Q раз.

Рис. Уровни вибрационных воздействий, которым подвергаются ЭУ 1 – вибрация, 2 – вибрация, возбуждаемая ударом

Такая модель приемлема для исследования только простых механических систем ЭУ, т.к. большая их часть представляет собой сложные механические системы. Резонанс отдельного элемента конструкции независимо от резонанса всей его конструкции может привести к нарушению работоспособности всего изделия. Для расчёта резонансных частот сложных систем целесообразно изображать системы в виде совокупности изолированных элементов, а связи между ними заменять условиями их закрепления. Метод анализа сложных механических систем путём расчёта отдельных элементов получил в промышленности название поузлового метода[2].

Добротность Q связана с полосой частот резонансной системы (механической, так же как и электромагнитной) как: Время достижения установившейся амплитуды резонансных колебаний узлов ЭУ измеряется долями секунды. Ширина 2Df резонансной полосы частот определяется разностью частот f" и f¢ при которых амплитуда колебаний уменьшается до от своего значения при резонансе (рис.).

Резонансная характеристика механической колебательной системы с одной степенью свободы

Удар –механическое воздействие, вызванное ускорением при резком изменении скорости или направления движения ЭУ. При ударе возникают силы, деформирующие конструктивные элементы изделий и приводящие к образованию механических напряжений. Они могут служить причиной разрушения изделий. Удар сопровождается возбуждением затухающих колебаний, т.е. неустановившейся вибрацией на частотах собственных колебаний конструктивных элементов изделий. Уровни разрушающих усилий возрастают в Q- раз, если элементы конструкции резонируют на частотах возмущений, вызванных ударом. Тряска – воздействие на ЭУ серии ударов в виде импульсов, следующих один за другим.

Акустический шум. Некоторые виды вибрации сопровождаются выделением энергии звуковой частоты. Это явление называется акустическим шумом или акустической вибрацией. Выделение энергии колебаний звуковой частоты сопровождается механическими колебаниями частиц атмосферы, которые приводят к изменению давления по сравнению со статическим. Разность между статическим давлением и давлением в данной точке звукового поля называется звуковым давлением. распространение звуковой волны характеризуется колебательным смещением частиц среды от положения покоя. Скорость распространения звуковых волн в воздухе зависит от температуры среды по закону . При нормальном атмосферном давлении и температуре 0⁰ С скорость звука равна 331 м/с. С повышением температуры до 290 К (27⁰ С) она увеличивается до 340 м/с. Скорость звука зависит от температуры воздуха, его влажности, направления и силы ветра. Акустический шум приводит к механическому возбуждению конструктивных элементов изделия. Под действием энергии колебаний звуковой частоты в электронных элементах возникает микрофонный эффект; начинают вибрировать реле, малогабаритные элементы, объёмные проводники.