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 10-12Па; коэффициент возврата молекул
Z~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).
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
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
Проверка узлов трения
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… 10-12Па).
Основную откачку вакуумной установки осуществляют обычно
криогенными насосами (примерно до 10-12Па), 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 10-12Па), 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 Meк наименьшему различаемому его изменению ΔМе:
ρm= Ме/ΔМе, (2)
где Me=M/nq;
М — молекулярная масса иона, а.е. м.; т — число элементарных
зарядов.
Экспериментально ρm 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 10-3Па 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 NASAс
осевым имитатором Солнца:
1 — ртутно-ксеноновые лампы; 2 — гнперболоидное зеркало; 3 —
параболоидное зеркало; 4 — линза; 5 — главное коллимирующее
параболоидное 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 неосевым
зеркалом:
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
Глудкин О.П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. – М.: Высш.
школа., 2001 – 335 с
Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и
испытательное оборудование/ под ред. А.И.Коробова М.: Радио и
связь, 2002 – 272 с.
Млицкий В.Д., Беглария В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и
средства измерений на воздействие внешних факторов. М.:
Машиностроение, 2003 – 567 с
Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.:
Госстандарт, 2007
Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в
проектировании и производстве радиоэлектронных средств –
Техносфера, 2005. – 504с.
Испытание ЭС на воздействие ультранизких давлений криогенных температур Специальные виды космических
32
0
9 минут
Темы:
Понравилась работу? Лайкни ее и оставь свой комментарий!
Для автора это очень важно, это стимулирует его на новое творчество!