Способ оценки стойкости материалов космической техники к воздействию факторов космического пространства
METHOD OF ESTIMATION OF SPACE MATERIALS STABILITY TO IMPACT OF COSMIC SPACE FACTORS

Изобретение относится к области испытаний полимерных материалов после воздействия факторов космического пространства (ФКП), в частности глубокого вакуума, электромагнитного излучения, потоков протонов, электронов, холодной плазмы, атомарного кислорода, а именно оценки стойкости материалов, длительно экспонируемых на наружных поверхностях космических аппаратов (КА). Полимерные материалы входят в состав различных изделий космических аппаратов, например терморегулирующих покрытий, экранно-вакуумной теплоизоляции, механических конструкций и узлов солнечных батарей.
Известен способ оценки стойкости материалов космической техники к воздействию факторов космического пространства, заключающийся в том, что образцы испытуемых материалов размещают на поверхности космического аппарата, экспонируют в течение заданного срока, помещают в контейнер, который не герметизируют, а затем возвращают на Землю, где в лабораторных условиях определяют изменение свойств испытуемых материалов, по которым судят об их стойкости [1].
Недостатком данного способа является неточное воспроизведение воздействия космической среды на испытуемые материалы, так как при транспортировании на Землю они содержат химически активные частицы, образующиеся в полимерах под воздействием факторов космического пространства, которые при контакте с атмосферным воздухом могут вступать в химические реакции с молекулярным кислородом, что может привести к температурно-окислительной деструкции.
Известен способ оценки стойкости материалов космической техники к воздействию факторов космического пространства (см. патент RU №2238228, С1, 25.03.2003, МПК7 B64G 1/66, G01N 33/00), заключающийся в том, что образцы испытуемых материалов размещают на поверхности космического аппарата, экспонируют их в течение заданного срока, помещают в контейнер, который укладывают в герметизируемый в условиях открытого космоса транспортный контейнер и возвращают их на Землю, где в лабораторных условиях помещают транспортный контейнер в вакуумную камеру с контролируемой инертной средой, после чего производят раскрытие транспортного контейнера и контейнера с образцами, далее извлекают образцы и помещают их в отдельные герметичные пеналы, с последующим проведением испытаний над образцами также в вакуумной камере, по которым определяют изменение свойств испытуемых материалов и по ним судят об их стойкости.
Недостатком данного способа (прототипа) является неточное воспроизведение воздействия космической среды на испытуемые материалы, вызванное возможностью проникновения воздуха во внутреннюю полость пеналов с образцами при их хранении до проведения испытаний, что может повлиять на изменение свойств экспонированных в открытом космосе образцов.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является практическое исключение влияние атмосферы Земли на прошедшие испытания в космосе образцы, хранящиеся в герметичных пеналах.
Поставленная задача решается тем, что в способе оценки стойкости материалов космической техники к воздействию факторов космического пространства образцы испытуемых материалов размещают на поверхности космического аппарата, экспонируют их в течение заданного срока, помещают в контейнер, который, в свою очередь, укладывают в герметизируемый в условиях космоса транспортный контейнер и возвращают их на Землю, где контейнеры помещают в вакуумную камеру с контролируемой инертной средой и производят их раскрытие с извлечением образцов, затем каждый из образцов размещают в отдельном герметичном пенале, с последующим проведением в лабораторных условиях испытаний образцов по определению изменений их свойств, по которым судят о стойкости материалов, перед размещением образцов в отдельных герметичных пеналах проводят измерение параметров окружающей среды и создают давление инертной среды в вакуумной камере, удовлетворяющее условию:
ис
ос
р>р,
ис
где р - давление инертной среды;
ос
р - давление окружающей среды.
Сущность изобретения заключается в обеспечении в пенале с образцами давления инертного газа заведомо выше, чем давление окружающего воздуха, что исключает возможность проникновения молекулярного кислорода воздуха во внутреннюю полость пенала.
Контакт с воздухом влияет на изменение свойств экспонированных в открытом космосе образцов. Особенно это относится к полимерам [2]. Свойства полимерного материала после воздействия ФКП в значительной степени зависят от молекулярного кислорода, в присутствии которого протекают цепные радиационные и фотохимические процессы окисления. В этих условиях время контакта с атмосферой Земли экспонированных образцов при наземных исследованиях не должно превышать время установления равновесной концентрации кислорода в материале. Предельное время контакта с кислородом воздуха характерно для каждого полимера. Экспериментально было установлено, что молекулярный кислород космоса не оказывает особого влияния на образцы в течение 3-х месяцев. Следовательно, транспортный контейнер необходимо возвращать на Землю не позднее, чем через 3 месяца.
Согласно [3] "емкость", будучи под вакуумом (ее герметизация производилась вручную с использованием крепежа) и находящаяся, в свою очередь, в атмосфере Земли, обладает свойством натекания, т.е. воздух начинает проникать во внутреннюю полость контейнеров.
Также необходимо учитывать и такой факт, что чем больше разность давлений внутри полости контейнеров и атмосферы Земли, тем интенсивнее происходит процесс натекания.
Не следует забывать и о том, что атмосфера Земли - это среда, которая постоянно находится в динамике. Анализ статистических данных по давлению атмосферы Земли показал следующее: самое низкое давление составляет ~ 715 мм рт.ст., а самое высокое давление составляет ~ 770 мм рт.ст. (московский регион).
Учитывая вышеизложенное приходим к выводу, что для того чтобы практически исключить проникновение воздуха во внутреннюю полость пенала и сохранить образец, необходимо загерметизировать пенал при давлении инертной среды ~ 775 мм рт.ст.
Схема вакуумной камеры для разгерметизации транспортных контейнеров показана на фиг.1. К вакуумной камере 1 подведены коммуникационные системы: вакуумная 9, очистки и циркуляции газа системы 10. Вакуумная камера оснащена:
- стеклом смотровым 2;
- стеклом подсветки 3;
- источником света 4;
- обечайкой 5;
- перчатками 6;
- крышкой люка 7;
- заслонкой 8.
Разгерметизация транспортного контейнера и контейнера с образцами включает следующие операции:
1) загрузка транспортного контейнера в вакуумную камеру;
2) фиксация перчаток (закрытие заслонки) оператора в закрытом положении, защищающем их от повреждения перепадом давления при начальном откачивании вакуумной камеры;
-5
-4
3) высоковакуумная откачка камеры до давления 10…10 мм рт.ст. в течение нескольких часов;
4) отсечка вакуумной камеры от вакуумной системы;
5) напуск в вакуумную камеру инертного газа (аргона) из баллона высокого давления до давления атмосферы;
6) циркуляционная прокачка газа из вакуумной каиеры через систему очистки в течение нескольких часов для очистки всего объема газа и приведения всей системы в стационарное состояние;
7) приведение перчаток оператора в рабочее положение;
8) проведение операций по извлечению образцов из контейнеров и раскладки их по пеналам при помощи ручного инструмента оператором в перчатках;
9) повышение давления в вакуумной камере до ~ 775 мм рт.ст.;
10) герметизация пеналов;
11) выключение и герметизация системы циркуляции и очистки газа;
12) открытие фланца бокса и извлечение герметичных пеналов;
13) закрытие фланца бокса.
Для форвакуумной и вакуумной откачки в вакуумной камере можно использовать насосы АВЗ-20 и агрегат АВП-250 с быстротой действия 1000 л/с. Контроль течей проводится течеискателем ПТИ-14. В качестве инертного газа используется аргон. Система очистки и циркуляции газа в вакуумной камере аналогичная устройствам, используемым в прототипе (см. патент RU №2238228, С1, 25.03.2003, МПК7 B64G 1/66, G01N 33/00).
Источники информации
1. S.L.B. Woll, H.G. Pippin, М.А. Stropki. S. Clifton. Materials on International Space Station Experiment (MISSE) // Proc. 8-th International Symposium on "Materials in a Space Invironment", 5-th Intemation Conference on "Protection of Materials and Structures from the LEO Space Environment". Arcachon-France. 2000.
2. K.K. De Gron, J.D. Gummow Effect of Air and Vacuum Storage on the Tensile Properties of X-Ray Exposed Aluminazed - FEP // Proc. 8-th International Symposium on "Materials in a Space Invironment", 5-th Intemation Conference on "Protection of Materials and Structures from the LEO Space Environment". Arcachon-France. 2000.
3. Б.И. Королев и др. "Основы вакуумной техники». М., Л.: Энергия, 1957. - 251 с.