Биологические, космические воздействия и их характеристики

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра РЭС





















РЕФЕРАТ на тему:

«Биологические, космические воздействия и их характеристики»

























МИНСК, 2008


1. Биологические воздействия и их характеристика



Биологические воздействия, в которых находятся ЭС, определяются совокупностью воздействующих биологических факторов.

Биологический фактор (биофактор) — это организмы или их сообщества, вызывающие нарушение работоспособного состояния объекта. Событие, состоящее в выходе какого-либо параметра ЭС под действием биофактора за границы, указанные в НТД, называют биологическим повреждением (биоповреждением).

Анализ биоповреждений позволяет выделить их основные виды:

	механическое разрушение при контакте организмов с РЭСИ;

	ухудшение эксплуатационных параметров;

	биохимическое разрушение;

	биокоррозия.

Механическое разрушение РЭСИ вызывается в основном макроорганизмами, т.е. организмами, имеющими размеры, сравнимые с габаритами изделий. Макроразрушение при контакте может произойти в результате столкновения, прогрызания и уничтожения изделия, например при столкновении птиц с самолетами и антеннами радиолокационных станций, прогрызания материалов грызунами (крысами, зайцами, белками, слепышами и др.), а также открыточелюстными насекомыми (главным образом различными видами термитов и муравьев). Уничтожение материалов и изделий происходит в основном в процессе питания организмов.

Ухудшение эксплуатационных параметров РЭСИ вызывается биозагрязнением, биозасорением и биообрастанием. Биозагрязнением называют выделения организмов и продукты их жизнедеятельности, воздействие которых в результате смачивания водой или впитывания влаги из воздуха приводит к изменению параметров изделий. Биозасорение РЭСИ связано с наличием спор грибов и бактерий, семян растений, частей мицелия грибов, помета птиц, выделений организмов, отмирающих организмов. Обрастание бактериями, грибами, водорослями, губками, моллюсками и другими организмами поверхностей РЭСИ усиливает коррозию металлов.

Биохимическое разрушение — наиболее широко распространенный вид биоповреждений, но вместе с тем и наиболее трудно поддающийся изучению, так как вызывается в основном микроорганизмами — любыми организмами, имеющими микроскопические размеры и не видимыми невооруженным глазом. Этот вид разрушения разделяют на два подвида: биологическое потребление материалов в процессе питания микроорганизмов и химическое воздействие выделяющихся при этом веществ. 

Биологическое потребление связано с предварительным химическим разрушением ферментами исходного материала иногда только одного компонента (обычно низкомолекулярного соединения, например пластификатора, стабилизатора). Такое разрушение открывает путь физико-химической коррозии, приводит к ухудшению термодинамических свойств материала и его механическому разрушению под действием эксплуатационных нагрузок. Химическое действие продуктов обмена повышает агрессивность среды, стимулирует процессы коррозии.

Физико-химическая коррозия на границе материал — организм обусловлена воздействием амино- и органических кислот, а также продуктов гидролиза. В основе этого вида биоповреждения, называемого биокоррозией, лежат электрохимические процессы коррозии металлов под действием микроорганизмов.

Характер процессов и механизмов биоповреждений и их влияние на материалы и изделия тесно связаны с ростом и размножением организмов, которым необходимо постоянно пополнять энергию от внешних источников.


1.1. Биофактор как источник биоповреждения



Подавляющее большинство (от 50 до 80 %) повреждений РЭСИ обусловлено воздействием на них микроорганизмов (бактерий, плесневых грибов и др.), развитие и жизнедеятельность которых определяются внешними воздействующими факторами: физическими (влажность и температура среды, давление, радиация и т.д.), химическими (состав и реакция среды, ее окислительно-восстановительные действия), биологическими. Наибольшее влияние на активность микроорганизмов оказывают температура и влажность.

Бактерии — самая многочисленная и распространенная группа микроорганизмов, имеющих одноклеточное строение. Бактерии быстро размножаются и легко приспосабливаются к изменяющимся физическим, химическим и биологическим условиям среды благодаря тому, что они могут адаптивно образовывать ферменты, необходимые для трансформации питательных сред. Одна из особенностей микроорганизмов — их способность к спорообразованию. 

Образование спор у бактерий не связано с процессом размножения, а служит приспособлением к выживанию в неблагоприятных условиях внешней среды (недостатке питательных веществ, высушивании, изменении рН среды и т. д.), причем из одной клетки формируется только одна спора. Размножение бактерий осуществляется путем деления клеток.

Плесневые грибы, играющие доминирующую роль среди микроорганизмов, отличаются от бактерий более сложным строением. Клетки грибов имеют сильно вытянутую форму и напоминают нити — гифы. Гифы ветвятся и переплетаются, образуя мицелий или грибницу. 

Особенность грибов — разнообразие способов их размножения: обрывками мицелия, спорами, оидиями, конидиями. Оптимальными условиями для развития большинства плесневых грибов являются высокая влажность (более 85%), температура +20...30 °С и неподвижность воздуха. Большую роль при заселении материалов бактериями и грибами играет способность спор адсорбироваться на гладкой поверхности.

Действие микроорганизмов на материалы и элементы РЭСИ объясняется тем, что благодаря микроскопическим размерам гифы и споры проникают в углубления и трещины материала, прорастают в них, образуя мицелий, который, быстро распространяясь по субстрату, вызывает изменение массы, водопоглощения и степени гидрофобности. Обрастание микроорганизмами зависит от химического состава и строения материала, микрофлоры окружающей среды, наличия загрязнений (органических и неорганических) в воздухе, климатических условий и избирательности действия сообществ организмов. В первую очередь грибы поражают материалы, содержащие питательные для них вещества. 

Используя эти материалы в качестве источников углерода и энергии, грибы приводят их в негодность. Однако порче подвергаются и материалы, не содержащие никаких питательных веществ, например разрастание мицелия на поверхности оптического стекла. После удаления грибного налета на стекле остаются следы, напоминающие мицелий, - «рисунок травления». Это следствие разрушения стекла продуктами метаболизма.

Органические кислоты и другие метаболиты, обладая высокой проводимостью, могут быть основной причиной снижения удельных поверхностного и объемного сопротивлений материалов, напряжения пробоя, увеличения тангенса угла диэлектрических потерь, разрушения лакокрасочных покрытий.

Под влиянием плесени значительно возрастает интенсивность старения пластмасс, а прочность некоторых стеклопластиков снижается на 20-30 %. Развитие плесневых грибов на электроизоляционных материалах ухудшает их диэлектрические свойства. Образование плесени на поверхностях печатных плат вследствие высокого содержания влаги в клетках грибов (до 90 %) приводит к коротким замыканиям между токоведущими частями.

Применение горячих операций на начальных стадиях технологического процесса значительно снижает число колоний. Благоприятное действие оказывает и аэрация воздуха в производственных помещениях.

Среди насекомых наибольший вред причиняют термиты - «белые муравьи», которые повреждают материалы и изделия, расположенные на пути к пище, месту окукливания и строительства гнезд.

Наличие щелей, углублений и других укрытий может привлекать насекомых. Шероховатая поверхность удобна для их передвижения. На холодные предметы насекомые не садятся, а теплые их привлекают.


2. Космические воздействия и их характеристика



Космические воздействия характеризуются совокупностью воздействий космической среды, к которым относятся: глубокий вакуум, невесомость, температура, электромагнитные и корпускулярные излучения, наличие метеорных частиц, магнитных и гравитационных полей и др.

При изучении параметров космических условий выделяют три среды: межзвездную, межпланетную, атмосферу планет и их спутников.

Межзвездная среда состоит из межзвездного газа и мельчайших твердых частиц пыли, заполняющих пространство между звездами в галактиках. Межзвездная среда вблизи Солнца переходит в межпланетную среду.

Межпланетная среда заполняет пространство между планетами Солнечной системы. Она состоит из ионизированных атомов водорода и атомов гелия (90 и 9%).  Наибольший интерес представляет для нас атмосфера Земли и ее внешняя часть - экзосфера.

Изменение параметров атмосферы Земли с высотой выглядит следующим образом, таблица 1.

Таблица 1 - Изменение параметров атмосферы Земли с высотой

Высота, км

Давление, Па

Температура, К

Концентрация частиц, см-3

Характеристика вакуума

Уровень моря

1,33∙105

293

2,7∙1019

-

200

8,5∙10-5

1200

7∙109

Глубокий

500

4∙10-7

1600

2,5∙107

Глубокий

1000

4∙10-9

1600

1,5∙105

глубокий

10000

2,5∙10-10

15000

1∙103

сверхглубокий

В космических условиях все факторы действуют на фоне глубокого вакуума, что ускоряет протекание различных физических процессов. В космическом пространстве любой материал выделяет газы и пары, примеси и добавки, аскорбиновые кислоты на поверхности и в объеме.

Космический вакуум вызывает сублимацию поверхностных слоев материалов ЭА, т.е. с течением времени происходит уменьшение исходной толщины. Например, пластины Zn или калия за год уменьшаются за счет сублимации на 0,1мм при температуре поверхности 100-150С. Если использовать Al, Si, Cu, Ni, и Br., то для получения такого же результата, необходимо Т = 750-1000.

Потери полимерных соединений происходят главным образом за счет разложения в более простые летучие вещества. Массопотери некоторых материалов достигают 2% при циклическом изменении температуры  90-120С и облучении Солнцем.

В результате происходит изменение теплофизических и диэлектрических характеристик материалов. Теплообмен может осуществляться только за счет излучения. Затруднена теплопередача за счет соприкосновения, из-за микронеровности и вакуумных промежутков между ними. В среднем падение температуры воздуха с высотой составляет примерно 0,56° на каждые 100 м вертикального подъема.

В тропосфере температура воздуха уменьшается на 4-8° на каждый километр высоты. Если летом у земли температура +20 - + 30°, то на высоте 3-4 км температура около 0°, а на высоте 9-11 км достигает минусовой температуры 40-50°.

На рисунке 1 указаны значения температуры в зависимости от высоты, принятые в качестве международного стандарта. Этими значениями пользуются для расчетов и сопоставления данных. На этом же рисунке для того случая, когда необходимы более точные сведения о температуре, приведены зависимости температуры от высоты над уровнем моря для субтропической зимы, умеренного лета и тропического лета.



Рисунок 1 - Стандартная температура атмосферы:

1—умеренное лето; 2—тропическое лето; 3—международная стандартная атмосфера; 4—субарктическая зима.

На рисунке 2 приведены значения плотности воздуха в зависимости от высоты над уровнем моря.

Представляют практический интерес для проектирования аппаратуры средние значения относительной и абсолютной влажности в атмосфере в зависимости от высоты над уровнем моря. Эти зависимости приведены на рисунке 3.

Тропосферу от стратосферы отделяет переходная область протяженностью 1 — 3 км, называемая тропопаузой. Ее высота над земной поверхностью зависит от географической широты места .

У экватора температур а в тропопаузе на высоте 16—18 км равна примерно 70—80°С; у полюсов высота тропопаузы равна 3—6 км и температура в ней значительно выше.

Над тропопаузой начинается стратосфера. В отличие от тропосферы, где температура в основном регулируется турбулентным перемешиванием воздуха в стратосфере регулятором температурного режима является лучевой теплообмен. Стратосфера простирается до высоты  60-70 км.

Самые верхние слои атмосферы, расположенные за стратосферой, называются ионосферой. Молекулы воздуха этих слоев сильно ионизированы.

Нижний слой ионосферы, лежащий на высоте 70-90 км (слой Д), образован ионизацией излучением хромосферы, а расположенный на высоте 90-100 км (слой Д) - рентгеновским излучением короны Солнца. 

Зависимость температуры от высоты в верхних слоях атмосферы, если взять некоторые средние значения, вырисовывается в следующем виде: начиная с высоты 11 км, температура остается постоянной примерно до 20 км и равной -560С. Затем на высотах 20—50 км наблюдается повышение температуры за счет интенсивного поглощения ультрафиолетового солнечного излучения слоем озона, расположенного на этих высотах. 

На высоте около 50 км температура атмосферы достигает примерно +70° С. Далее начинается новое понижение температуры. На высоте 80-100 км температура падает примерно до -60° С и затем неуклонно повышается, переходя в область положительных значений. 

Это повышение температуры связано с бомбардировкой земной атмосферы космическими частицами и с солнечной радиацией.

Невесомость — как фактор космического пространства имеет место при свободном орбитальном полете. По воздействию на ЭС невесомость оказывает влияние на тепловой режим изделий через изменение гидродинамики теплоносителей, процессов кипения и конденсации хладагентов. 

Поэтому фактор невесомости обычно учитывается только для ЭС, размещаемых в герметизированных отсеках космических аппаратов.

Основным источником лучистых тепловых потоков в космическом пространстве служит Солнце. 

Энергия в спектре излучения распределяется следующим образом:

	9% -ультрафиолетовое излучение;

	46% -видимое излучение;

	45%   -инфракрасное,   остальное   -  рентгеновское   и   корпускулярное
излучение.





В свою очередь, поверхность земли посылает на поверхность КА длинноволновое излечение, т.е. тепловой поток, составляющий на низких орбитах до 40% плотности потока прямого солнечного излучения.



Рисунок 2 - Стандартная плотность воздуха:

1 — субтропическая зима; 2 — международная стандартная атмосфера;

3—умеренное лето; 4 — тропическое лето.







Рисунок 3 — Зависимость относительной (1) и абсолютной (2) влажности воздуха от высоты над уровнем моря:

φ - относительная влажность; ω- количество водяных паров, г на 1 м

воздуха.


ЛИТЕРАТУРА



Грицай С.П., Гурский М.С., Яруничева Е.В. Программа, методические указания и контрольные задания по курсу  “Методы и средства испытаний РЭС (ЭВС)”. Мн.: БГУИР, 2003

Гурский М.С. Лабораторный практикум по курсу “Испытания, контроль и сертификация радиоэлектронных средств”. Часть-1 Мн. БГУИР, 2000.

Гурский М.С. Лабораторный практикум по курсу “Испытания, контроль и сертификация радиоэлектронных средств”. Часть-2 Мн. БГУИР, 2002.