Испытание ЭС на воздействие ультранизких давлений, криогенных температур. Специальные виды космических испытаний
СОДЕРЖАНИЕ: Проведение испытания ЭС на воздействие ультранизких давлений. Параметры вакуумных испытательных установок. Испытание ЭС на воздействие криогенных температур. Выбор типа хладагента. Виды космических испытаний. Работа измерителей парциальных давлений.Министерство образования Республики Беларусь
Белорусский государственный университет информатики и
радиоэлектроники
кафедра РЭС
РЕФЕРАТ
на тему:
«Испытание ЭС на воздействие ультранизких давлений, криогенных температур. Специальные виды космических испытаний»
МИНСК, 2008
Воздействие ультранизких давлений
Испытание ЭС на воздействие ультранизких давлений проводят для определения способности материалов и элементов ЭС сохранять при таких давлениях свои параметры в пределах, указанных в НТД, а также для проверки правильности принятых схемных и конструктивно-технологических решений. Испытание осуществляют в глубоком вакууме. Минимальная продолжительность испытания равна (или несколько превышает) времени установления стационарного исследуемого процесса или явления. Ориентировочные значения давлений, необходимые для воспроизведения в лабораторных условиях основных физических явлений, происходящих в космосе, приведены в табл. 1
Материалы, узлы, элементы, а также ЭС в целом подвергают испытаниям в вакуумных установках. Современная вакуумная испытательная установка — сложная система, в состав которой входят: вакуумная камера с системой трубопроводов, разнообразные насосы, вакуумметры, термометры, расходомеры криогенных жидкостей, емкости и баллоны с криогенными жидкостями, регуляторы, клапаны и краны, электроприводы, блоки контрольно-измерительной и управляющей аппаратуры.
Параметры вакуумных испытательных установок: рабочий объем камеры от 0,2 м3 (для малогабаритных установок) до 134 000 м3 (установка центра им. Арнольда, США, для испытания космических кораблей); минимальное давление до 10-12 Па; коэффициент возврата молекул Z 0 ~10-2 ...10-2 . Вакуумные испытательные установки различаются также по следующим параметрам: составу остаточных газов; виду откачивающих насосных систем (масляная, безмасляная, парортутная и т.д.); скорости откачки камеры; неравномерности распределения давлений, потоков частиц и температур по объему и внутренней поверхности камеры; диапазону рабочих температур; времени выхода на рабочий режим; производительности и сроку службы.
Многие молекулы газа, покидая поверхность исследуемого объекта, отражаются от стенок испытательной установки и возвращаются на объект. Это происходит многократно до тех пор, пока молекулы не будут захвачены стенками. Отношение числа молекул, возвращающихся на объект в единицу времени, к числу молекул, покидающих его, называют коэффициентом возврата молекул (Z 0 ).
В вакуумных испытательных установках в зависимости от наибольшего давления запуска (максимального давления во входном сечении насоса, при котором он может начать работу) и предельного остаточного давления в вакуумной камере используют насосы предварительной, основной и вспомогательной откачки. Одновременно используют несколько типов насосов из-за избирательной откачной способности насоса каждого типа к удалению различных паров и газов. Наиболее часто применяют комбинацию турбомолекулярного и ротационного (для предварительной откачки) насосов; цеолитового и диффузионного с ловушками на жидком азоте для защиты от миграции паров масел; титанового сублимационного, криогенного, гетероионного или магнитного электроразрядного (для основной и вспомогательной откачки.
Таблица 1 ориентировочные значения давлений, необходимые для воспроизведения основных физических явлений в космосе, при испытании ЭС в лабораторных условиях
| Вид испытания | Давление, Па |
| Проверка механической прочности и герметичности корпусов ЭС при воздействии перепада давлений | ~103 |
| Проверка на отсутствие воздушного демпфирования конструкции ЭС при вибрации | 10-1 |
| Проверка теплового режима ЭС при теплопередаче излучением | 10-2 |
| Влияние электрических зарядов, утечек, ионизации на работоспособность ЭС | 10-3 |
| Исследование физических свойств конструкционных материалов (прочности, ползучести, внутреннего демпфирования) | 10-4 (в зависимости от давления насыщенных паров исследуемых материалов) |
| «Холодная» сварка | 10-5 |
| Излучение процессов испарения и сублимации материалов и их переконденсации | Длина свободного пробега молекул должна быть больше характерного размера установки |
| Исследование адсорбции и химического взаимодействия остаточных газов с поверхностью материалов | 10-5 ...10-12 |
| Проверка узлов трения | 10-5 ...10-12 |
По принципу действия вакуумные насосы делятся на проточные и сорбционные. Проточные насосы удаляют газ из откачиваемого объема. В сорбционных газ обычно остается внутри насосов в связанном виде на сорбционных поверхностях или подповерхностных слоях; скорость откачки пропорциональна площади сорбирующей поверхности; предельное остаточное давление зависит от процессов десорбции.
По назначению вакуумные насосы делятся на форвакуумные (для создания в системе низкого и среднего вакуума при наибольшем давлении запуска 1-10 Па) и высоковакуумные (для создания высокого и сверхвысокого вакуума).
Иногда между ними ставят промежуточный (бустерный) вакуумный насос. Форвакуумными насосами производят начальное вакуумирование установок, т. е. снижение давления от 1,33-10 Па примерно до 10- 1 Па. По достижении требуемого давления эти насосы отключаются и начинают одновременно работать насосы основной и вспомогательной откачки (в диапазоне давлений 10-3 ... 10-12 Па).
Основную откачку вакуумной установки осуществляют обычно криогенными насосами (примерно до 10-12 Па), обеспечивающими огромную скорость откачки, низкий коэффициент возврата, а также остаточный газ, приближающийся по составу к газу в космосе. Эти насосы изготовляют в виде криорешеток различной конфигурации, охлаждаемых специальными хладагентами. Эффективным технологическим способом, облегчающим получение ультранизких давлений, является прогревание установок с целью усиленного газоотделения из их отдельных частей. Прогревают, как правило, малогабаритные и иногда среднегабаритные установки.
Для вспомогательной откачки раньше применялись исключительно паромасляные диффузионные насосы. Однако у них есть существенный недостаток — наличие обратного потока паров масла из насоса в рабочую камеру испытательной установки. Создание ловушек, охлаждаемых жидким азотом, только уменьшает, но не исключает поступление в камеру масляных паров. В космосе такие пары отсутствуют. (Поэтому возникла необходимость применения так называемой «безмасляной» откачки, т. е. откачки насосными системами, не использующими масла и другие органические продукты. В качестве насосов вспомогательной откачки служат криосорбционные и ионные насосы.
Для измерения давления газов ниже атмосферного применяют вакуумметры, действие которых основано на использовании различных физических закономерностей, прямо или косвенно связанных с давлением газа. Так как диапазон давлений в вакуумных установках очень широк (от атмосферного до 10-12 Па), то существуют вакуумметры различных типов: механические, термопарные, ионизационные и др.
Вакуумметры обычно состоят из двух частей: манометрического преобразователя и измерительной установки. Преобразователи вакуумметров имеют неодинаковую чувствительность к различным газам. Если преобразователь проградуирован по воздуху, а применяется для измерения давления других газов, необходимо учитывать относительную чувствительность:
R = Кг /Кв , (1)
где Кг — чувствительность преобразователя к данному газу; Кв — чувствительность к воздуху.
Вакуумметры измеряют общее давление газов, присутствующих в вакуумной системе. Однако при оптимизации вакуумных технологических процессов и проведении испытаний ЭС требуется измерять не только общие, но и парциальные давления остаточных газов.
Работа измерителей парциальных давлений (ИПД) основана на принципе ионизации молекул газа и разделении положительных ионов в зависимости от отношения массы к заряду иона (m / q ). По характеру используемых электромагнитных полей ИПД можно разделить на статические и динамические. В статических приборах используют постоянные, а в динамических - переменные электромагнитные поля.
Измерители парциальных давлений (как и общих) характеризуются нижним и верхним пределами измеряемых давлений, чувствительностью, а также присущим только им параметром — разрешающей способностью. Под разрешающей способностью ИПД понимают отношение массового числа иона Me к наименьшему различаемому его изменению Ме :
m = Ме/Ме , (2)
где Me = M / nq ;
М - молекулярная масса иона, а.е. м.; т - число элементарных зарядов. Экспериментально m определяют с помощью масс-спектрометра.
Воздействие криогенных температур
Испытание ЭС на воздействие криогенных (ниже 120 К) температур проводят с целью проверки устойчивости параметров изделий при низких температурах. Криогенные (охлаждающие) системы, предназначенные для испытания, входят в состав термовакуумных испытательных установок с многоступенчатой откачной системой и включают следующие элементы:
• собственно криокамеру (или криостат), т.е. конструкцию с рабочим объемом, в котором непосредственно размещается испытываемый объект (образец) и происходит его охлаждение (в криокамере — парами хладагента или охлажденным газом, в криостате — жидким хладагентом) до заданной температуры;
• хладагент;
• устройства подачи хладагента в рабочую камеру.
Выбор типа хладагента определяется предельной температурой охлаждения испытываемого объекта. Для охлаждения до температур ниже 200 К обычно используют жидкие газы: азот (температура кипения 77 К), водород (20 К), гелий (4,2 К), неон (30 К). Охлаждение ниже 4 К достигается откачкой паров над поверхностью жидкого гелия. Испытываемые образцы охлаждают обычно в два этапа: сначала жидким азотом до температуры около 73 К, а затем до более низких температур — жидким гелием и его парами.
Рис 1. Устройство подачи хладогента с помощью сжатого газа:
1-баллон со сжатым газом;2- трубопровод с клапанами; 3- трубка; 4- сосуд Дьюара; 5- вакуумно-порошковая изоляция; 6- жидкий хладогент
Рис.2. Схема гелиевого криостата КГ-15/150:
1-крышка; 2-сосуд с жидким азотом; 3,8-экраны;; 4-пенополиуретан; 5-вакуумно-многослойная изоляция; 6- кожух; 7-горловина гелиевого сосуда; 9-сосуд с гелием;10-адсорбент(активированный уголь)
Специальные виды космических испытаний
Эксплуатация ЭС в условиях космоса оказывает существенное влияние на тепловой режим работы изделий.
Термовакуумные испытания проводят для исследования работоспособности ЭС в зависимости от их теплового режима в условиях космоса/Для обеспечения теплового режима ЭС в лабораторных условиях, аналогичных условиям их эксплуатации в космосе, достаточно воспроизвести основные факторы космического пространства: глубокий вакуум; солнечное излучение; излучения планет солнечной системы, влияющие на условия эксплуатации ЭС (например, Земли, если ЭС эксплуатируются на околоземной орбите); «холод» и «черноту» пространства за пределами телесных углов, занимаемых Солнцем и рассматриваемой планетой. Цикл отработки теплового режима ЭС включает: проверку работоспособности ЭС и их составных частей в условиях реальных нестационарных градиентов температуры; исследование поля температур в отсеках космического аппарата (КА), где размещены ЭС, и взаимного влияния температурных полей различных тепловыделяющих устройств КА на работоспособность ЭС; выбор оптимального размещения ЭС и тепловыделяющих устройств КА; определение фактических температурных пределов работоспособности ЭС; проверку эффективности работы системы терморегулирования в условиях, максимально приближающихся к реальным; исследование работы системы терморегулирования в аварийных ситуациях; определение ресурса ЭС и их составных частей; исследование деформаций конструкций ЭС, вызванных температурными воздействиями.
Моделирование теплового режима ЭС производят в вакуумной камере, в которой устанавливают имитаторы лучистых потоков Солнца, планеты и орбиты КА. Для испытания выбирают КА, аналогичный предназначенному для полета в космос. На нем устанавливают датчики температуры в точках, наиболее полно характеризующих его тепловое поле, и датчики других величин (давления, расхода теплоносителя и др.).
Перед помещением в испытательную камеру КА тщательно очищают от всевозможных загрязнений, которые могут явиться источником «ложных» течей при откачке. Затем его закрепляют в раме механизма вращения -имитаторе орбиты. Далее проверяют работу бортовой и контрольно-измерительной аппаратуры, а также программно-временного устройства, задающего режим в испытательной камере. По достижении в камере давления около 10-3 Па включают криогенную систему охлаждения (до температуры жидкого азота) экранов. Как только в камере установится заданный режим испытания, по командам программно-временного устройства включают имитаторы внешних лучистых потоков, бортовые ЭС и начинают эксперимент, продолжительность которого определяется условиями полета и цикличностью работы бортовых ЭС. Показания датчиков (давление, температура и др.) передаются на пульт управления с помощью бортовой телеметрической аппаратуры или специальной радиопередающей аппаратуры, размещаемой на КА только во время испытания.
Качество имитатора солнечного излучения характеризуется плотностью потока лучистой энергии и углом расхождения лучей в рабочей зоне, соответствием спектра лучистого потока спектру естественного излучения Солнца и поляризацией лучей. Для весьма совершенного имитатора не должны быть превышены следующие значения: неоднородность плотности потока лучистой энергии во всем объеме рабочей зоны ±5%, расхождение лучей ±2°, среднее квадратическое отклонение спектральных плотностей энергии излучения имитатора от соответствующих спектральных плотностей солнечного излучения ±5% в диапазоне длин волн 0,2...3 мкм, степень поляризации 3...5 %.
По способу формирования лучистого потока оптические схемы солнечных имитаторов можно разделить на осевые и неосевые. Схема солнечного имитатора с осевым имитатором Солнца представлена на рисунке 3.
Солнечный имитатор дает вертикальный осевой поток излучения, максимальная плотность энергии которого достигает 2700 Вт/м2. Лучи от источника лучистой энергии (ртутно-ксеноновых ламп) собираются параболоидным зеркалом 3 и концентрируются на псевдогиперболоидном выпуклом зеркале 2. Далее пучок лучей проходит через линзу 4, выполняющую одновременно роль окна, и попадает на рассеивающее зеркало 6, направляющее лучи на главное параболоидное зеркало 5, которое и формирует коллимированный поток в рабочей зоне 7.
Рисунок 3 - Схема установки лаборатории реактивного движения NASA сосевым имитатором Солнца:
1 — ртутно-ксеноновые лампы; 2 — гнперболоидное зеркало; 3 — параболоидное зеркало; 4 — линза; 5 — главное коллимирующеепараболоидное зеркало; 6 — многогранный отражатель; 7 — рабочая зона с испытываемый КА; 8 — криогенные экраны;9 — диффузионные насосы
Описанный имитатор имеет ряд недостатков: чрезвычайно сложную конструкцию; трудоемкую юстировку всех элементов схемы; наличие неконтролируемых вторичных лучистых потоков, приводящих к температурным ошибкам; низкий коэффициент использования энергии (около 1,14%). Низкий КПД имитатора в основном определяется большими потерями энергии из-за неполного использования лучистого потока источника. Значительные потери обусловлены также поглощением лучей на многочисленных зеркалах и линзах. Применение более совершенных конструкций и меньшего числа отражающих и преломляющих оптических элементов позволяет повысить КПД такого имитатора до 12 %.
Более экономичным является имитатор, в котором используются дуговая лампа с эллипсоидным отражателем и одно неосевое параболоидное или сферическое зеркало (рисунок 4). Размещение рабочей зоны в стороне от оси симметрии главного зеркала, формирующего почти параллельный поток, позволяет избежать взаимного переизлучения между зеркалом и испытываемым КА и тем самым избавиться от неконтролируемых вторичных лучистых потоков. Общий коэффициент использования энергии имитатора такого типа составляет 16,2 %.
Рисунок 4 - Схема установки модуля солнечного имитатора с неосевымзеркалом:
1 — кронштейн для крепления и юстировки фасет зеркала; 2 — сферическое зеркало; 3 — зона невозврата лучей; 4 — криогенные экраны; 5 —источник лучистой энергии; 6 — кронштейн для крепления
источника; 7 — крышка люка
ЛИТЕРАТУРА
1. Глудкин О.П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. – М.: Высш. школа., 2001 – 335 с
2. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред. А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 – 272 с.
3. Млицкий В.Д., Беглария В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 – 567 с
4. Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 2007
5. Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств – Техносфера, 2005. – 504с.