2
Содержание
Общая характеристика работы............................................4
Глава 1. Исследование поверхностных потенциалов лакокрасочных покрытий внешней поверхности КЛА, при их облучении электронами (предварительные исследования).........................................9
1.1. Плазмодинамический стенд ИТМ АН УССР,
технические характеристики...........................................9
1.2. Результаты исследований потенциалов лакокрасочных
покрытий внешней поверхности КА при электронном облучении............II
Глава 2. Проводимость внешних диэлектрических покрытий КА при воздействии космических ионизирующих излучений (обзор литературы)... 15
2.1. Введение.........................................................15
2.2. Постановка задачи................................................16
2.3. Радиационная электропроводность полимеров........................20
2.4. Инжекционные токи в твердом теле.................................23
2.5. Экспериментальные результаты.....................................24
2.6. Оценка потенциалов внешних диэлектрических покрытий КА..........30
Глава 3. Физическая модель заряжения низкоэнергетическими электронами плоского слоя диэлектрика с открытой поверхностью.........33
3.1. Введение.........................................................34
3.2. Методика испытаний..............................................36
3.3. Расчеты глубинного хода мощности поглощенной дозы по
методу Монте-Карло...................................................38
3.4. Экспериментальные результаты по измерению тока с тыльного электрода в облучаемых электронами полимерных образцах................42
3.5. Анализ экспериментальных результатов.............................47
3.6. Обсуждение.......................................................57
3.7. Инжекционные токи в модельных полимерах с электронной и дырочной проводимостью................................................62
3.8. Стационарные токи в режиме непрерывного облучения через закороченный образец модельного полимера при наличии необлучаемого слоя..................................................................63
3.9. Обсуждение результатов исследований инжекционных токов и электрических полей в модельных полимерах, облучаемых в короткозамкнутой геометрии........................................... 74
3.10. Физическая модель заряжения низкоэнергетическими электронами плоского слоя диэлектрика с открытой поверхностью.........80
3.11. Теоретическое рассмотрение процесса заряжения низкоэнергетическими электронами модельного диэлектрика с
открытой поверхностью.................................................81
3
3.12. Результаты численного расчета поверхностного потенциала модельного диэлектрика, облучаемого низкоэнергетическими электронами............................................................87
3.13. Обсуждение результатов численных расчетов по предложенной физической модели заряжения низкоэнергегическими электронами
плоского слоя диэлектрика с открытой поверхностью.....................92
Глава 4. Разработка технологических критериев нанесения непроводящих лакокрасочных покрытий с повышенной стойкостью
к эффектам электризации...............................................95
Глава 5. Непроводящие лакокрасочные покрытия внешней поверхности
КЛА, стойкие к эффектам электризации..................................97
Заключение............................................................100
Список литературы.....................................................104
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Одним из факторов, 01раничивающих надежную и длительную эксплуатацию космических аппаратов (КА) как на высокоэллиптических орбитах, так и на геостационарной орбите, является электризация и связанные с ней электростатические разряды (ЭСР) на борту космического аппарата. ЭСР вызывают сбои в работе бортовой радиоэлектронной аппаратуры, а в некоторых случаях и её катастрофические отказы.
Наиболее эффективным способом снижения вероятности возникновения ЭСР вследствие дифференциальной зарядки поверхности КА, является применение проводящих покрытий для элементов поверхности. В этом случае уменьшается разность потенциалов между элементами, изготовленными из различных материалов, и происходит выравнивание потенциального рельефа поверхности КА. По указанной причине проводится большая работа по замене непроводящих электрический ток лакокрасочных покрытий на аналогичные по параметрам проводящие покрытия.
До настоящего времени, однако, для целого ряда непроводящих покрытий используемых для целей терморегулирования приборных отсеков и отдельных элементов внешней поверхности КА не существует адекватной замены. До сих пор не удалось создать проводящие эмали определенных цветов, обладающие требуемыми значениями спектральных коэффициентов отражения и поглощения ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения. Поэтому наряду с мероприятиями по замене непроводящих покрытий на проводящие, значительная роль отводится работам по снижению поверхностных потенциалов этих непроводящих покрытий.
К сожалению, в настоящее время отсутствуют нормативные документы, следуя которым можно было бы разработать технологию нанесения непроводящих лакокрасочных покрытий с заранее заданной
5
предельной величиной поверхностного потенциала при заданных условиях эксплуатации. Практически отсутствует серьезная теоретическая проработка этого вопроса, подкрепленная надежной экспериментальной проверкой. По указанной причине непроводящие лакокрасочные покрытия внешней поверхности КА являются потенциальными источниками ЭСР со всеми вытекающими последствиями.
Актуальность настоящей работы заключается в том, что в ней на основе теоретических и экспериментальных исследований процессов заряжения плоских диэлектрических слоев с открытой поверхностью разработаны критерии, позволяющие реализовать технологию нанесения непроводящих лакокрасочных покрытий внешней поверхности КА, обладающих повышенной стойкостью к эффектам элекгризации.
Цель работы. Целью настоящей работы является создание стойких к эффектам электризации непроводящих лакокрасочных покрытий для элементов внешней поверхности КА путем выбора их оптимальной структуры: непроводящая эмаль - проводящий подслой.
Для достижения поставленной цели необходимо было последовательно решить следующие задачи:
1. Провести предварительные исследования поверхностных потенциалов всех основных (допущенных к применению в отрасли) непроводящих лакокрасочных покрытий внешней поверхности КА в условиях близких к натурным. На основе предварительных исследований дать оценку стойкости этих покрытий к эффектам электризации.
2. Создать физическую модель заряжения низкоэнергетическими электронами полимерного диэлектрика с открытой поверхностью, учитывающую вклад инжекционных токов в полный ток и пригодную для расчета поверхностных потенциалов непроводящих покрытий КА.
3. Разработать основные критерии, позволяющие реализовать технологию нанесения непроводящих лакокрасочных покрытий элементов внешней
6
поверхности КА с заранее заданной допустимой величиной поверхностного потенциала при заданных условиях эксплуатации.
4. Используя разработанные критерии предложить ряд стойких к эффектам электризации покрытий из непроводящих эмалей, предназначенных для эксплуатации в различных натурных условиях и внедрить эти лакокрасочные покрытия в производство изделий космической техники.
Научная новизна полученных в диссертации результатов теоретических и экспериментальных исследований заключается в следующем:
1. Предложена физическая модель заряжения низкоэнергетическими электронами плоского слоя диэлектрика с открытой поверхностью, учитывающая вклад инжекционных токов в полный ток и пригодная для расчета поверхностных потенциалов непроводящих покрытий КА.
2. На основе анализа выводов предложенной физической модели заряжения сформулированы критерии, основанные на выборе оптимальной толщины слоя непроводящей эмали.
Практическая ценность.
1. На основе применения разработанных критериев создан ряд покрытий из непроводящих эмалей, обладающих пониженными значениями поверхностного потенциала, повышенной стойкостью к эффектам электризации и предназначенных для эксплуатации в различных натурных условиях, в том числе:
- структура на основе белой эмали КО-5191 толщиной 30 мкм с подслоем проводящей эмали ХС-973 толщиной 110 мкм;
7
- структура на основе белой эмали ХВ-16 толщиной 20 мкм с подслоем проводящей эмали ХП-5237 толщиной 80 мкм,
- структура на основе белой эмали ЭКОМ-1 толщиной 40 мкм с подслоем проводящей эмали ХП-5237 толщиной 80 мкм.
Выполненные сравнительные испытания предложенных нами и традиционно используемых структур из непроводящих эмалей показали, что применение первых обеспечивает снижение поверхностного потенциала в 1,7-2 раза и в 3-4 раза снижает вероятность возникновения ЭСР на поверхности КА в результате дифференциальной зарядки поверхности.
Основные практические результаты работы использованы в КБ «Салют» ГКНПЦ им. М.В. Хруничева при конструировании и производстве изделий космической техники: “Рокот”, МКС.
В комплексе с другими мероприятиями по снижению нежелательных эффектов электризации использование предложенных в диссертации структур позволило снизить вероятность возникновения ЭСР на поверхности КА в 3-4 раза. Это значительно повысило надежность функционирования и бесперебойную работу КА на орбите.
Технический эффект от внедрения результатов диссертационной работы оценивается увеличением ресурса активного функционирования КА на орбите в 1,5 - 2 раза.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты предварительных исследований, заключающиеся в измерении поверхностных потенциалов всех основных (допущенных к применению в отрасли) непроводящих лакокрасочных покрытий внешней поверхности КА в условиях близких к натурным, и оценке стойкости этих покрытий к эффектам электризации.
2.Физическая модель заряжения электронами плоского слоя диэлектрика с открытой поверхностью, учитывающая вклад инжекционных токов в полный
8
ток и пригодная для расчета поверхностных потенциалов непроводящих покрытий КА.
3. Сформулированные в работе критерии, позволяющие реализовать технологию нанесения непроводящих лакокрасочных покрытий элементов внешней поверхности КА с заранее заданной предельной величиной поверхностного потенциала при заданных условиях эксплуатации.
4.Результаты расчетов поверхностных потенциалов непроводящих покрытий по предложенной физической модели.
5. Разработанные покрытия из непроводящих эмалей, обладающие пониженными значениями поверхностного потенциала, повышенной стойкостью к эффектам электризации и предназначенные для эксплуатации в различных условиях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на IX, X, XI и XII Межнациональных Совещаниях «Радиационная физика твердого зела» (г. Севастополь, 1999 - 2002 г.) и на 8-ом Международном симпозиуме «Материалы для космического применения» (Франция, Аркашон, 2000 г.). Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, изложены в пяти статьях и четырех докладах на Межнациональных и Международных симпозиумах и совещаниях.
Объем работы. Общий объем диссертации 114 стр. машинописного текста, включая 27 стр. иллюстраций и список цитируемой литературы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы включающего 104 работы отечественных и зарубежных авторов.
9
Глава 1. Исследование поверхностных потенциалов лакокрасочных покрытий внешней поверхности КА, при их облучении электронами (предварительные исследования).
1.1. Плазмодинамический стенд ИТМ АН УССР, технические ха рактеристики.
На плазмодинамическом стенде ИТМ АН УССР нами были выполнены предварительные исследования поверхностных потенциалов лакокрасочных покрытий элементов внешней поверхности КА. Плазмодинамический стенд (рис. 1.1.) позволяет моделировать условия и режим движения КА в ионосфере и магнитосфере Земли: воздействие комплекса факторов космического пространства на материалы наружных поверхностей и рабочие системы КА, включая высокий вакуум, криогенные температуры, электромагнитное излучение (соответствующее спектру солнечного излучения), поток низкотемпературной разреженной плазмы и пучки электронов, а при имитации условий низкоорбитального полета - воздействие ионов атомарного кислорода с концентрацией 104 -10 см' при скорости потока до 8 км/с.
Откачка стенда (общий объем 15 м3) осуществляется безмасляной высокопроизводительной системой, состоящей из электроразрядного агрегата АВЭД-40/800М и гурбомолекулярных насосов ТМН-2500. Степень разрежения до 10‘5 Па.
Стенд оснащен системами диагностики и контроля зарядового состояния образцов материалов, моделей КА, и параметров среды, в том числе аппарахурой «Зонд-Заряд», предназначенной для измерения поверхностных потенциалов материалов облучаемых потоками заряженных частиц.
На стенде, при испытаниях лакокрасочных покрытий внешней поверхности КА, нами были реализованы следующие значения параметров воздействия:
- Київ+380960830922