Эрозионное воздействие истекающего потока стационарного плазменного двигателя на защитные стекла солнечных батарей

Расширение области применения электроракетных двигателей (ЭРД) в качестве исполнительных органов систем коррекции и ориентации космических аппаратов (КА), работающих в околоземном и межпланетном пространстве, привело к значительному усложнению проблем, возникающих при интеграции (синтезе) энергосиловой установки (ЭСУ), включающей в качестве основных систем двигательную установку (ДУ) и энергетическую установку (ЭУ). К внутренним проблемам этого круга относятся такие, как выбор согласующих элементов между ЭРД и ЭУ (буферные батареи, преобразователи электроэнергии и т. п.), согласование циклограммы нагрузки и режимов работы, минимизация массогабаритных характеристик. Соответственно, к внешним проблемам отнесены такие, которые определяют совместную работу ЭСУ и КА в целом. Это не только вопросы выполнения космической задачи аппаратом, но и вопросы взаимного влияния работы ЭСУ и бортовых систем. Если раньше эти вопросы взаимного влияния для КА с коротким сроком работы в космосе были не так заметны, то с увеличением срока активного существования КА до 10 и более лет взаимное влияние систем не учитывать уже нельзя — настолько велики могут быть его последствия. Как показывает опыт эксплуатации различных КА, особенно «опасным» может быть длительное воздействие истекающего потока от работающего ЭРД. Этот поток характеризуется как плазменный поток, так как он представляет собой совокупность относительно тяжелых заряженных частиц (ионов) и электронов, ускоренных различными способами в электрическом или электромагнитном поле. Суть воздействия плазменного потока заключается во взаимодействии ускоренных ионов с поверхностями различных систем узлов КА. ЭРД, как двигатель малой тяги, характеризуется большими временами работы, поэтому длительное взаимодействие реально приводит к структурным изменениям поверхности, а, следовательно, и к снижению эффективности работы элементов КА, функциональным элементом которых эта поверхность является.

Все большее число работ исследователей посвящается изучению воздействия потоков ЭРД. Однако проведение таких работ осложняется тем, что указанное воздействие носит комплексный характер, и не всегда можно разделить влияние того или иного фактора. Накопление теоретических и экспериментальных данных позволяет более обоснованно оценивать уровень последствий от воздействия плазменных потоков.

Данная работа посвящена исследованию одного из малоизученных процессов, связанного с изменением оптических характеристик защитных стеклянных покрытий солнечных батарей (СБ). В качестве источника плазменного потока выбран стационарный плазменный двигатель (СПД), получивший наибольшее распространение на КА.

В настоящее время # СБ являются одним из основных источников электроэнергии на борту КА, и от точности прогнозирования ресурса СБ во многом зависит надежность и конкурентоспособность КА. В связи с этим исследования факторов, оказывающих влияние на работу СБ, включая воздействие плазменных потоков, является важной и актуальной задачей.

Целью настоящей работы является повышение точности прогнозирования деградации характеристик СБ в условиях длительного воздействия плазменных потоков от работающих штатных СПД на борту КА.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Анализ и определение возможных механизмов и последствий влияния плазменного потока на состояние поверхности защитных стекол СБ.

2. Разработка физических моделей процессов изменения структуры поверхности защитного стекла и влияния этого изменения на его оптические характеристики.

3. Разработка методик и проведение экспериментального определения влияния ионной бомбардировки на оптические характеристики защитного стекла и определение параметров физических моделей.

4. Разработка методик прогнозирования изменения характеристик полноразмерных СБ при длительном воздействии плазменных потоков СПД.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена физическая модель модификации поверхности стекла при ионной бомбардировке. Показано, что причиной изменения прозрачности стекла является образование на его поверхности микрорельефа.

2. Предложена статистическая модель образования микрорельефа, позволяющая прогнозировать его параметры в зависимости от параметров плазменного потока.

3. Разработана методика измерений малых изменений прозрачности защитных стекол в условиях модельного вакуума.

4. Получены экспериментальные данные о влиянии плазменного потока СПД на оптические свойства защитных стекол СБ.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

1. Впервые. проведено детальное и систематическое исследование динамики изменения прозрачности защитных стекол СБ при воздействии плазменных потоков от СПД и получены численные значения прозрачности в зависимости от времени воздействия.

2. Даны практические рекомендации по минимизации деградации характеристик СБ на примерах реальных КА.

3. Разработанные модели воздействия плазменных потоков на СБ и их математическое обеспечение носят законченный характер и MOiyr быть использованы при проектировании и эксплуатации ЭСУ.

Основная часть диссертации разделена на четыре главы.

Результаты исследования уменьшения прозрачности вследствие осаждения фторуглеродистой пленки от истекающего потока из двигателя на корпус интерферометра, показали слабое влияние на оптическую прозрачность. Эти расчеты основывались на коэффициенте поглощения пленки, рассчитанном на основании измерений отражения и прозрачности.

Комплексное исследование влияния плазменных потоков на элементы КА струи СПД было предпринято в работе [39]. В качестве образцов для 100-часовых испытаний использовалось защитное стекло СЭ, RTV-кремний и каптон. Образцы размещались вокруг двигателя на расстоянии одного метра. Большинство образцов крепились в коллиматорах, успешно предохранявших их от загрязнения со стенок вакуумной камеры. Образцы защитного стекла СЭ предоставлялись для химического анализа оже-спектроскопией, потери массы, профилометрии и анализа оптических свойств. Образцы RTV-кремния и каптона исследовались только на потери массы и профилометрию.

Особенностью образцов защитного стекла СЭ было то, что обе его стороны покрывались антиотражающим покрытием, которое оказывалось под действием плазменного потока. Результаты воздействия показали, что все образцы были подвержены эрозии с наибольшей интенсивностью в области центральной части струи. Получены потери массы на единицу площади поверхности (рис. 1.8) и результаты профилометрии (рис. 1.9). В таблице 1.5 приведены параметры шероховатости трех типов образцов, как результат воздействия ускоренных ионов ксенона. На рис. 1.10 показана общая прозрачность образцов защитного стекла, как функция местоположения. Начиная с углов падения 90° полная прозрачность слабо падает, пока не достигает минимума значения вблизи угла 65°, а затем увеличивается по мере приближения к 30°. Рис. 1.11 показывает полное отражение как функцию местоположения. Эти зависимости для прозрачности и отражения показывают, что большая часть антиотражающего покрытия эродирует.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Показано негативное влияние плазменного потока от работающего стационарного плазменного двигателя (СПД) на состояние поверхности защитного стекла солнечной батареи (СБ). Отмечен комплексный характер этого влияния, показано, что при углах падения плазменного потока более 60−70° уровень снижения мощности СБ может достигать 20.30% за время работы СПД порядка 2000 часов.

2. Разработана методика экспериментального определения динамики изменения прозрачности защитных стекол СБ в лабораторных условиях. Для уменьшения систематических ошибок использован метод относительных измерений параметров, полученных в одном эксперименте. Обоснован выбор фотометрического оборудования и источника плазменного потока, дана методика проведения эксперимента.

3. Разработана физическая модель процесса модификации поверхности защитного стекла СБ при воздействии плазменного потока. Рассчитаны параметры модели для защитного стекла марки К208. Предложена статистическая двухкомпонентная модель микрорельефа, образованного впадинами с изменяющимися параметрами. Показано, что эффективность экстинкции (поглощения) в основном зависит от среднего размера впадин и слабо зависит от свойств стекла.

4. Получены экспериментальные данные по динамике изменения оптических характеристик защитных стекол от времени воздействия в условиях безмаслянного вакуума. Подтверждено, что причиной снижения прозрачности является образование микрорельефа с характерными размерами впадин 1.5 мкм.

5. Разработана расчетная модель эрозионного воздействия плазменных потоков на полноразмерные СБ КА. Представлен прогноз изменения прозрачности защитных стекол вследствие воздействия плазменных потоков. Характер изменения оптических свойств стекла показывает, что потери прозрачности при скользящих углах падения быстро возрастают и могут достигать 30% при углах падения 70−75°.

6. Представлены рекомендации по снижению негативного влияния плазменных потоков СПД на характеристики СБ. Показано, что путем изменения компоновки и режимов эксплуатации КА с интегрированным СПД на борту возможна минимизация последствий воздействия плазменных потоков.