Технический прогресс и экономика (стр. 4 )

Были выполнены также исследования материалов и фрагментов кремниевой СБ, возвращенной на Землю после 10,5 лет работы на околоземной станции (ОС) «Мир», которые дали ценную информацию о процессах деструкции материалов СБ под действием ФКП, в том числе и АК, источниках загрязнений оптической системы СБ.

В результате проведенных исследований [3, 5, 6] были выбраны наиболее совершенные материалы, определена их пригодность для использования в КА, работающих на НОО, и разработаны меры защиты различных конструктивных материалов, не стойких к воздействию ФКП.

Данная работа посвящена анализу основных исследований по воздействию АК на космические материалы, применяемые в КА и, в частности, в СБ.

Орбитальный атомарный кислород

Известно, что АК является основной компонентой остаточной атмосферы на высотах НОО – от 200 до 700 км. Для больших высот проблема воздействия АК на материалы для КА, находящихся на геостационарной орбите, не возникает, поскольку там концентрация АК слишком мала.

Плотность потока АК во многом определяется степенью солнечной активности, влияние которой на плотность АК в атмосфере в зависимости от высоты показано на рис. 1 [2]. Из рисунка следует, что, например, для высоты 500 км плотность АК возрастает приблизительно от 2,5 · 106 ат · см-3 при минимальной солнечной активности  до 2 · 108 ат · см-3  при  максимальной,  а поток  АК при этом увеличивается от 2 · 1012 см-2 · сек-1 до 2 · 1014 см-2 · сек-1, т. е. на два порядка. В период максимальной солнечной активности плотность АК значительно увеличивается даже на высотах порядка 800 км.

Рис. 1. Плотности и потоки атомарного кислорода в зависимости от высоты орбиты при различной солнечной активности.

Графики плотностей АК как функции высоты (рис. 1) были получены по результатам моделирования при использовании программы MSTS. Применение подобных методик позволяет проводить оценки потоков АК, которые характеризуют конкретный полет с учетом даты запуска, типа орбиты, ориентации поверхностей по отношению к направлению перемещения и характера солнечной активности.

Например, в таблице 1 приведены времена, необходимые для получения заданного флюенса АК (4,8 · 1021 ат · см-2) на поверхности, перпендикулярной направ-лению вектора скорости, в случаях сильной, средней, и слабой солнечной активности для полетов различного характера.

  Таблица 1

Время Т, необходимое для получения флюенса 4,8 · 1021 атомов · см-2

Тип орбиты	Высота, км	Время Т солнечной активности, дни
сильная	Средняя	слабая
Круговая экваториальная	185 290 320 800	9,2 · 100 5,2 · 101 1,6 · 102 2,9 · 104	1,1 · 101 7,3 · 101 2,7 · 102 1,3 · 105	1,3 · 101 1,7 · 102 1,0 · 103 3,7 · 106
Круговая полярная	185 290 320 800	9,9 · 100 5,6 · 101 1,7 · 102 3,4 · 104	1,1 · 101 7,9 · 101 2,9 · 102 1,3 · 105	1,4 · 101 1,8 · 102 9,8 · 107 3,7 · 106

На основе найденных для данного полета флюенсов можно провести оценки потерь толщин отдельных материалов, подвергающихся окислению, если известны значения их реакционной эффективности Re (см3/атом).

Важно знать Re полимеров, которые особенно чувствительны по отношению к АК. Величина Rе для них определяется следующим выражением:

,

где M = M/NT, М – молекулярная масса, ? –  плотность полимера, NT – общее число атомов в испытуемом полимере, NC – число атомов углерода, NO – число атомов кислорода,

.

Деградация космических материалов при воздействии АК

Деградация материалов космических объектов под воздействием АК изучалось параллельно в наземных условиях и в космосе.

Более достоверными оказались результаты, полученные в космических исследованиях, т. к. в лабораторных экспериментах трудно смоделировать условия НОО во всех аспектах. Отмечалась бoльшая деградация материалов и более высокие скорости реакций при наземных испытаниях.

На основании проведенных исследований [2] было установлено, что наиболее устойчивыми к АК являются неорганические материалы, прежде всего, стекла, а также  большинство металлов и их оксидов, оксиды неметаллов. При взаимодействии с АК золото и платина не претерпевали никаких изменений. Все остальные металлы, за исключением осмия и серебра выделяли тепло при окислении АК, образуя стабильные оксиды, которые становились хорошей защитой от окисления объемных слоев. Серебро и осмий быстро разрушались под воздействием АК из-за хрупкости соответствующих оксидов.

Наибольшей деградации при воздействии АК были подвержены полимерные материалы, особенно в виде пленок. Была отмечена сильная деградация полимеров, содержащих такие элементы как С, Н, О, N, S. Эти материалы имели высокие скорости потерь  массы (ПМ), а их реакционная эффективность составляла от 2,5 · 10-24  до 4,0 ·  · 10-24 см3/атом. Самыми слабыми оказались карбонильная (СО) и имидная (NH) груп-пы. За ними следуют по мере возрастания устойчивости к АК метильная (СН3), фенильная (С6Н5) и фенантренильная (С14Н8) группы.

К полимерам не стойким к АК можно отнести полиимидные пленки (каптон), полиамидные (кевлар), полиэтилентерефталатные (майлар), полисульфоновые, полиуретановые краски, эпоксидные смолы и все композиционные материалы на основе эпоксидных смол и углерода [2].

Под действием АК у материалов указанных классов изменялись масса, морфоло-гия поверхности, теплооптические свойства, состав, прочностные характеристики.

В таблице 2 представлена экспериментальная реакционная эффективность некоторых космических материалов.

  Таблица 2

Экспериментальная реакционная эффективность различных  материалов

при воздействии АК на НОО

Материалы	Экспериментальная реакционная эффективность, 10-24 см3/атом
1. Серебро	10,5
2. Полиуретан	5,8
3. Полиэтилен	3,7
4. Майлар А (полиэтилентерефталат)	3,5
5. Тедлар (полимер винилфторида) – аналог фторопласта-1	3,2
6. Полиметилметакрилат	3,1
7. Каптон Н без покрытия (полиимид)	3,0
8. Полиэфир	2,9
9. Полисульфон	2,4
10. Эпоксид	2,0
11. Композит графит-эпоксидная смола	2,0
12. Диметилсилоксановый каучук RTV 615	0,06
13. Тефлон FEP (аналог фторопласта 4МБ)	0,03
14. Каптон, покрытый тефлоном FEP	0,03
15. Каптон, покрытый алюминием	0,01
16. Каптон, покрытый SiO2 (650A)	< 0,0008

Как видно из таблицы, наибольшую эрозию из неорганических веществ претерпевает серебро, а из органических – полиэтилен и полиэтилентерефталат. Наибольшую стойкость имели силиконовый каучук и тефлон FEP (русский аналог фторопласт 4МБ).

Более стойкими к воздействию АК по сравнению с каптоном оказались фторсополимеры – тефлон FEP и РTFE, чья реакционная способность по отношению к АК была меньше от 20 до 100 раз. Однако, при длительных полетах (более 4 лет) у тефлона FEP выявились некоторые морфологические изменения поверхности.

Нестойким к воздействию АК из-за наличия водородных связей оказался фторсополимер Тедлар (винилфторид).

Самую большую стойкость к воздействию АК среди полимеров проявили силоксаны, у которых скорость эрозии была на один-два порядка ниже, чем у остальных полимеров [2, 8], поскольку многие силоксановые полимеры при воздействии АК и УФ образуют на поверхности покрытия, которые служат барьером, защищающим нижележащие слои от окисления.

Одним из негативных последствий воздействия АК на органические материалы является загрязнение поверхностей космических аппаратов (КА) продуктами, выделяющимися при их деградации. К последствиям этих загрязнений относятся ухудшение, главным образом, оптических и теплооптических свойств поверхностей КА.

Защита космических материалов от воздействия АК

В дальнейшем исследования велись в направлении защиты нестойких материалов от воздействия АК с целью не допустить их деградации и загрязнения поверхностей КА.

Применение и прочность покрытий изучались в течение многих лет [2-13]. В работе [9] представлены основные защитные покрытия и методы их нанесения на материалы не стойкие к АК (таблица 3). К ним относятся, прежде всего, тонкие пленки из неорганических материалов – металлов, неметаллов и их оксидов (Al, Si, Ge, Ni, Cr, Al2O3, SiO2, ITO), а также нитриды и оксинитриды (SiN, SiON).

Таблица 3

Основные технологические методы защиты полимеров и композиционных материалов от окружающей среды на низких околоземных орбитах

Технология или методы	Покрытия или материалы
Тонкопленочные покрытия, нанесенные методом вакуумного осаждения. Физическое осаждение паров (PVD). Испарение тепловым и электронным лучом. Магнетронное распыление (MSD). Распыление ионным лучом (или ионным лучом совместно со струйным) (IBSP).	Al, Si, Ge, Ni, Cr, SiOx (x=2), Al2O3, SiO2, ITO, SiOx (x=2)  + фторсополимер
Осаждение химических паров усиленной плазмой (PECVP).	SiOx, SiO2, SiN, SiON
Поверхностная модификация. PhotosilTM Implantox TM	Модернизированная ионная имплантация
Объемные материалы и толстопленочные защитные покрытия. Специальные химические синтезы. Осаждение плазменным распылением.	Силиконы, фосфины. Системы красок: черные и белые органические и неорганические терморегулирующие краски – проводящие и непроводящие. Алюминий, алюминий/иттрий/цирконий.
Механическая защита	?-ткани алюминированные ?-ткани
Упаковка трубками или покрытие (армирование) металлами.	Анодированные алюминиевые фольги на композиционных материалах

В настоящее время широко применяется метод обогащения поверхностных слоев материалов специально выбранными химическими элементами, способными создавать стабильные защитные оксиды или защитные поверхностные структуры на основе оксидов в окислительной среде с помощью двух различных технологий [9].