Устройство моделирования высокоскоростных пылевых частиц

Актуальной проблемой современной авиакосмической промышленности является создание космических аппаратов (КА) с большими сроками эксплуатации и большей надёжностью. Одним из основных факторов, влияющих на надёжность и долговечность КА, является коррозия и старение материалов элементов конструкций КА. Коррозия материалов КА является следствием взаимодействия материалов конструкций КА с атмосферой КА, а также с микрометеоритами естественного происхождения и техногенными высокоскоростными пылевыми частицами, так называемым, космическим мусором.

В состав солнечной системы, наряду с планетами, их спутниками, астероидами и кометами, входит огромное число твердых частиц различных размеров — от мельчайших субмикронных пылинок до каменных и железных глыб с поперечником в десятки и сотни метров, которые в совокупности образуют твердую составляющую межпланетной среды (для ее обозначения различными авторами используются также названия «межпланетное пылевое облако» или «облако космической пыли»). Отдельные частицы твердой составляющей межпланетной среды, независимо от их масс и размеров, чаще всего называются метеорными телами, метеоритообразующими телами, кратерообразующими телами, метеороидами, микрометеороидами, микрометеоритами, частицами зодиакального света и др.

С наличием твердой составляющей межпланетной среды и взаимодействием с Землей и другими телами солнечной системы, солнечным излучением и космическим аппаратом, связан целый ряд астрономических, геофизических и космофизических язлений, таких, как зодиакальный свет, метеоры, наибольший по массе приток космического вещества на Землю, выпадение метеоритов, образование метеоритных кратеров (прежде всего на Луне, Меркурии и других телах солнечной системы, лишенных плотных атмосфер), бомбардировка метеорными телами космических аппаратов и др.

Как показывают результаты измерений векторов скоростей метеоров, подавляющее большинство порождающих их метеорных тел движется по эллиптическим орбитам вокруг Солнцадо сих пор пока нет ни одного случая надежного обнаружения метеорных тел, приходящих из межзвездного пространства. Время жизни в межпланетном пространстве мелких частиц космической пыли очень мало в астрономических масштабах — от десятков миллионов лет для частиц с массами порядка 1 г. до нескольких лет для частиц массами 10″ 12 — 10″ 14 г.

Возрастающая активность в космическом пространстве многих стран и консорциумов приводит к его интенсивному загрязнению фрагментами ракетно-космической техники и появлением нового класса — техногенных пылевых частиц, применительно к околоземному космическому пространству. По оценкам американских ученых, общая масса объектов искусственного происхождения на околоземных орбитах превысила 3 тысячи тонн.

По результатам многочисленных исследований [1,2,3,4] на высотах от 300 до 1600 км наблюдается наиболее высокая их концентрация по уровню уже значительно превосходящая плотность потока частиц естественного метеороидного фона. Поэтому необходимым становится исследования твердой составляющей межпланетной среды, прогнозирование метеорной опасности для космических аппаратов и воздействие большого числа ударов очень мелких пылинок на незащищенные оптические, светочувствительные и другие поверхности аппаратуры, установленной на космических аппаратах.

Большая часть сведений о космическом мусоре была получена, с помощью слежения за спутниками, радиолокационными станциями и оптическими телескопами, разбросанными по всей земле. Оптические телескопы используются, для слежения в дальнем космосе на расстояниях более пяти тысяч километров от Земли. При меньших высотах самым эффективным средством слежения являются радиолокационные станции. Минимальный диаметр объекта, который можно обнаружить на высоте пятьсот километров, равен десяти сантиметрам. Оптический телескоп в состоянии обнаружить объекты диаметром около одного метра, находящиеся на геосинхронной орбите. Оценки количества более мелких частиц проводятся на основе различных моделей космического мусора. Данные модели должны давать вероятность столкновения, выраженную через размеры частиц мусора и их относительные скорости. В этом случае вероятность становится мерой надежности КЛА, а данные о размерах и скоростях частиц мусора позволяют рассчитывать конструкцию КЛА или его противометеоритную защиту. Математические модели для расчета состояния облака частиц космического мусора строят исходя из существующих представлений о причинах его образования и предположений о том, как пойдет в дальнейшем освоение космоса.

Определение параметров частиц менее одного сантиметра оптическими средствами затруднено отсутствием надежных данных об альбедо таких малых объектов. Некоторые данные можно получить на основе изучения ударных кратеров на поверхностях объектов, побывавших в космическом пространстве. По данным Космического военного управления США около трети всех выбоин на поверхности исследуемых пластин — результат соударения с мелкими частицами космического мусора, образовавшимися при сгорании твердого ракетного топлива, а также с частицами краски размерами от 1 до 100 мкм [6]. Из этого следует, что разрушение материала на поверхностях КЛА или регулярное включение твердотопливных двигателей служат постоянным источником пополнения облака космического мусора новыми частицами.

Проводимые в настоящее время исследования характеристик орбитального мусора не отвечают современным требованиям. Менее всего данных о частицах в диапазоне размеров от 10 до 100 мкмпри том, что существует достаточно частиц такого размера, чтобы вынудить конструкторов КЛА значительно увеличить массу и объем противометеоритной защиты.

По данным научно-исследовательского центра имени Джонсона (NASA) большая часть космического мусора сосредоточена на расстоянии до двух тысяч километров от поверхности Земли. За исключением небольших повышений концентраций вблизи полюсов, частицы мусора распределены почти равномерно над всей поверхностью Земли. Это означает, что вероятность и скорость столкновения не зависят от положения KJIA или направления его движения по низкой околоземной орбите. Средняя скорость столкновений меняется от 9 км/с для орбит с малым наклоном до 13 км/с для околополярных орбит [7].

Кроме того, интенсивная космическая деятельность человечества сопровождается постоянно увеличивающимся числом запусков ракетно-космических средств, ростом полезных нагрузок, возрастанием мощности ракетных двигателей. Вывод в космос и эксплуатация космической техники приводят к появлению в околоземном космическом пространстве (ОКП) продуктов антропогенного загрязнения — газа, а также различных частиц и фрагментов (так называемых осколков). Согласно существующим, представлениям источниками этого загрязнения являются: а) газовыделение конструкций и материалов космических аппаратов (КА), деструкция материалов поверхностей КА в условиях воздействия факторов космического пространства (ФКП) — б) продукты работы маршевых и маневровых двигателейв) продукты работы систем обеспечения жизнедеятельности (как пилотируемых, так и автоматических КА) — г) технологические и экспериментальные работы на борту, связанные с инжекцией вещества в ОКП, в том числе технологические и аварийные сливы топливад) вспомогательные технологические узлы и элементы космической техники, обеспечивающие операции вывода и маневров на орбите и отделяемые после их выполненияе) отработавшие ресурс или аварийные КАж) столкновения КА с относительно крупными орбитальными объектами, непреднамеренные и преднамеренные взрывы КАз) дезинтеграция КА, головных частей и ступеней ракет и их элементов при входе в плотные слои атмосферы.

Размеры частиц и фрагментов антропогенного происхождения составляют значения от долей микрометра до десятков сантиметров. Согласно данным наблюдений [8] количество частиц в ОКП с размерами более 10 см, регистрируемых радиолокационными средствами, составляет около 7000. Частицы меньших размеров не поддаются прямому детектированию, и их количество оценивается по различным моделям величиной на несколько порядков выше числа наблюдаемых. Важно отметить, что наблюдается устойчивая тенденция роста частиц антропогенного загрязнения всех размеров. Эта тенденция хорошо прослеживается при сравнении результатов первых экспериментов по прямому измерению концентрации частиц в ОКП с результатами измерения в последние годы.

Так, измерения на Скайлэбе показали, что концентрация микрочастиц антропогенного происхождения составила 0,1 см, в то время как по результатам измерений на Шаттле спустя 10 лет концентрация таких частиц л составила уже 100−200 см", т. е. наблюдается увеличение концентрации на 3 порядка [9]. Последствия загрязнения ОКП частицами и фрагментами крупных размеров очевидны: столкновения при скоростях соударений порядка нескольких километров в секунду могут привести либо к катастрофическому разрушению КА, либо к выводу из строя его отдельных систем. Влияние соударений КА с частицами размерами менее 1 мм в настоящее время нельзя считать достаточно изученным. При высоких скоростях встречи возможно эрозионное разрушение поверхностей элементов конструкций КА, при низких — осаждение частиц на этих поверхностях. Взаимодействие с продуктами антропогенного загрязнения ОКП может привести к изменению функциональных характеристик элементов систем КА, таких как, например, оптические датчики, солнечные батареи, системы терморегулирования, зеркальные поверхности и т. п.

Многочисленные факты, выявленные как при эксплуатации космической техники, так и в специально поставленных космических экспериментах по экспонированию образцов конструкционных материалов в космосе демонстрируют заметную деградацию характеристик поверхностей, подвергшихся воздействию потоков частиц антропогенного происхождения.

Вся совокупность имеющихся к настоящему времени экспериментальных данных свидетельствует о возникновении угрозы значительного влияния антропогенного загрязнения верхней атмосферы ОКП на функционирование космической техники.

Прогнозы состояния окружающей среды в будущем зависят от того, насколько активно все страны будут осваивать космос, и от характера осуществляемых операций, так как даже одна авария спутника может сделать все прогнозы недействительными. Ожидается, что плотность потока частиц космического мусора будет возрастать. Зная об ухудшении обстановки в космическом пространстве, конструкторы КЛА должны исходить в своей работе из уточненных моделей и предположений о состоянии околоземного облака космического мусора.

В связи с этим возникает проблема испытания материалов элементов конструкций КА на соударение с высокоскоростными пылевыми частицами в лабораторных условиях, так как проведение натурных экспериментов на околоземной орбите связано с большими затратами. Достоинствами лабораторного моделирования экспериментов по соударению с материалами элементов конструкций КА является возможность осуществления управляемых экспериментов и возможность измерения важных величин пылевых частиц.

В процессе проведения ударных экспериментов необходимо контролировать следующие параметры частиц:

— Скорость частиц в момент соударение с образцом;

— Массу частиц;

— Заряд частиц;

— Количество частиц.

На первоначальном этапе для проведения ударных экспериментов использовались электростатические ускорители, предназначенные для ускорения элементарных частиц. Громоздкость данных конструкций не позволяла повсеместное использование таких ускорителей для решения прикладных задач. Поэтому в последнее время были разработаны специальные конструкции ускорителей, предназначенные именно для ускорения пылевых частиц.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Показана актуальность проблемы построения устройства для моделирования высокоскоростных пылевых частиц.

2. Из анализа существующих устройств моделирования высокоскоростных пылевых частиц следует, что все большее развитие получают электродинамические ускорители с переключаемым напряжением на ускоряющих электродах, главным отличием которых является возможность отсутствия в системе высоковольтных источников.

3. Проведен расчет распределения электрического поля по длине ускоряющей секции. Предложен алгоритм программы, которая реализует определение искомой зависимости методом конечных разностей потенциалов.

4. Определена оптимальная геометрия трубок дрейфа. Основным критерием оптимизации геометрии трубок дрейфа был выбран коэффициент фокусировки.

5. Разработана двумерная математическая модель движения частицы в тракте линейного электродинамического ускорителя, которая учитывает как продольное, так и радиальное движение частицы. Показано, что применение этой модели приводит к возможности увеличения максимального количества трубок дрейфа в линейном электродинамическом ускорителе. Предложен алгоритм программы построения двумерной траектории движения частицы в тракте ускорителя.

6. На основе разработанной математической модели предложена методика расчета времени переключения напряжения на дрейфовых трубках линейного электродинамического ускорителя. Основными отличиями предложенной методики от существующих является то, что удельный заряд частиц вводится как измеряемая величина, а не как константа.

7. Определена оптимальная конструкция подвода напряжения к дрейфовым трубкам линейного электродинамического ускорителя. Показано, что в отсутствии экранировки ускоряющего промежутка от внешних электрических полей, создаваемых токоведущими шинами, наиболее рациональным является конструкция с четырьмя токоведущими шинами.

8. Представлено техническое описание спроектированного устройства для моделирования высокоскоростных пылевых частиц, описан принцип работы составных блоков устройства.

9. Предложена методика инженерного расчета ускорителя пылевых частиц. Приведены результаты экспериментальных исследований и их сравнение с аналогичными расчетными параметрами.

10. Показано, что измерение величины удельного заряда и ее применение при управлении напряжением на трубках дрейфа линейного электродинамического ускорителя позволило повысить его эффективность на 34,5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе проведена разработка устройства моделирования высокоскоростных пылевых частиц. Разработка устройства носила комплексный характер и включала: рассмотрение существующих устройств моделирования высокоскоростных частиц, выявление их недостатков, постановку и последующее решение задач для их устроение. В результате работы было спроектировано устройство моделирования высокоскоростных пылевых частиц с большими, по сравнению с существующими, эффективностью и диапазоном ускоряемых частиц.