Способ оценки стойкости материалов космической техники к воздействию факторов космического пространства

 

Изобретение относится к области испытаний, преимущественно полимерных материалов, входящих в состав конструкций космических аппаратов, в условиях открытого космоса и на Земле. Предлагаемый способ предусматривает размещение образцов материалов на поверхности космического аппарата и их экспонирование в течение заданного срока. Затем образцы (в контейнере) помещают в транспортный контейнер, который герметизируют в условиях открытого космоса, и возвращают на Землю. Здесь в лаборатории определяют изменение свойств материалов, по которому судят об их стойкости. При этом помещают герметичный транспортный контейнер в вакуумную камеру с контролируемой инертной средой, где его раскрывают и извлекают образцы. Затем каждый из образцов размещают в отдельном герметичном пенале, проводят вакуумирование камеры и в дальнейшем продолжают испытания образцов для определения изменения их свойств в вакуумной камере. Технический результат изобретения состоит в уменьшении постэкспозиционного влияния земной атмосферы на испытанные в космосе образцы. 3 ил.

Изобретение относится к области испытаний полимерных материалов после воздействия факторов космического пространства (ФКП), в частности глубокого вакуума, электромагнитного излучения, 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, а затем возвращают на Землю, где в лабораторных условиях определяют изменение свойств испытуемых материалов, по которым судят о стойкости [1].

Недостатком известного способа является неточное воспроизведение воздействия космической среды на испытуемые материалы, так как при транспортировке 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 приводит к термоокислительной деструкции.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание условий для уменьшения постэкспозиционного влияния окружающей земной атмосферы.

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 в течение заданного срока, помещают в контейнер, затем возвращают на Землю, где в лабораторных условиях определяют изменение свойств испытуемых материалов, по которым судят о стойкости, при этом упомянутый контейнер укладывают для возвращения на Землю в герметичный транспортный контейнер, а определение изменения свойств испытуемых материалов проводят при помещении герметичного транспортного контейнера в вакуумную камеру с контролируемой инертной средой, где сначала производят раскрытие контейнера с извлечением образцов, каждый из которых затем размещают в отдельном герметичном пенале с последующим проведением их испытаний также в вакуумной камере.

Способ осуществляется следующим образом.

При экспонировании материалов в натурном эксперименте используется следующий подход: измеряются параметры воздействующих факторов: температура, поглощенная доза ионизирующего излучения (ИИ), интегральный поток ультрафиолетового излучения (УФИ), количество ударов микрометеорных частиц (УМЧ). Затем проводится обработка данных, при которой исследуются поведение материалов в натурных условиях при действии только одного или двух факторов, а также при комплексном воздействии ФКП. Материалы исследуются как в свободном, так и в нагруженном состояниях. Некоторые свойства материалов, например рост трещин в клеевых соединениях, замеряются в процессе экспонирования на орбите, и эти данные по каналам телеметрии передаются на Землю.

Из-за локального характера воздействия ФКП, связанного с различиями в ориентации отдельных участков КА относительно набегающего потока атомарного кислорода, потоков солнечного излучения и собственной внешней атмосферы, контроль ФКП производится непосредственно в месте экспозиции образцов материалов на панелях “Компласт”. На панели смонтированы датчики температуры ТЭП-012 и ТЭМ-006-04 в виде платиновых и медных терморезисторов. Контроль потока УФИ осуществляется по каналам телеметрии с датчиков ДУФИС 001.1 и ДУФИС 002.1. Регистрация поглощенной дозы ИИ, УМЧ проводится датчиками ДИИИ 001.1 и ДММЧ 001.1.

Способ поясняется иллюстрацией, где на фиг.1 изображен общий вид космического аппарата с контейнером.

Образцы испытуемых материалов экспонируют в условиях открытого космоса на внешней поверхности КА (1), где устанавливаются контейнеры (2) с панелями “Компласт”, на которых размещают испытуемые образцы. Все контейнеры выполнены съемными для возможности замены панелей после экспонирования. При наступлении этого срока оператор-космонавт выносит на поверхность КА транспортный герметичный контейнер (3), в котором находится новый контейнер с панелями. Этот новый контейнер вынимают и устанавливают на поверхности КА вместо снимаемого. При этом снятый контейнер с экспонированными образцами укладывают в транспортный контейнер, который здесь же в открытом космосе герметично закрывают. Тем самым вакуумная окружающая среда сохраняется в его полости. Конструкция транспортного контейнера в данной заявке не рассматривается. Затем, не позднее, чем через 3 месяца, его возвращают на Землю.

После возвращения на Земле в лабораторных условиях определяют изменение свойств. Существующая аппаратура для исследования свойств материалов рассчитана для работы с образцами, перенесенными из воздушной среды с атмосферным давлением. Однако контакт с воздухом изменяет свойства экспонированных в космическом вакууме 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 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. Поэтому транспортировку и исследование возвращаемых в гермоконтейнерах материалов необходимо проводить в инертной среде или вакууме.

Для выполнения этого условия транспортный контейнер помещают в специальную вакуумную камеру для разгерметизации, извлечения образцов и их раскладки в отдельные герметичные пеналы для перенесения в место контроля свойств в специализированных лабораториях.

Возможны 2 методики работы в камере.

Методика разгерметизации в вакууме содержит следующие операции:

1) загрузка гермоконтейнера в камеру,

2) пристыковка рабочих органов манипулятора к гермоконтейнеру,

3) высоковакуумная откачка камеры до давления 10^-3-10^-2 Па,

4) поочередное сочленение головки щпинделя манипулятора с головками болтов крышки гермоконтейнера и отвинчивание болтов,

5) открывание крышки рычажным экстрактором и захватом,

6) извлечение панели КОМПЛАСТ из гермоконтейнера с помощью захвата манипулятора,

7) закрепление панели на рабочем столе камеры струбцинами с помощью манипулятора,

8) раскрытие створок панели захватом манипулятора,

9) отвинчивание винтов крепления кассет к панелям с помощью шпинделя манипулятора,

10) снятие кассеты с панели захватом манипулятора,

11) закрепление кассеты на рабочем столе,

12) сочленение комплементарных частей двух шпинделей соответственно с гайкой и головкой винтов для разъединения винтовых пар крепления образцов к кассете,

13) поочередное отвинчивание крепежных винтовых пар образца,

14) снятие образца с кассеты захватом манипулятора,

15) открывание крышки гермопенала с помощью шпинделя и захвата,

16) загрузка образца в гермопенал захватом манипулятора,

17) закрывание крышки гермопенала с помощью шпинделя и захвата,

18) освобождение кассеты от крепления на рабочем столе,

19) установка кассеты обратно на панель захватом манипулятора,

20) поочередное завинчивание винтов крепления кассет к панелям с помощью шпинделя манипулятора,

21) закрытие створок панели,

22) снятие панели с крепления на рабочем столе,

23) установка панели внутрь гермоконтейнера захватом манипулятора,

24) закрывание крышки гермоконтейнера,

25) установка и завинчивание с помощью шпинделей манипулятора болтов крепления крышки,

26) напуск атмосферного воздуха и разгерметизация камеры,

27) извлечение гермоконтейнеров и гермопеналов из камеры,

28) закрытие камеры фланцем и вакуумирование.

В данном варианте метода все операции проводятся в условиях непрерывной вакуумной откачки. Поэтому парциальное давление активных газов очень мало, что является важным преимуществом метода.

Недостаток состоит в необходимости осуществлять движение рабочих органов манипулятора в больших пределах угловых и линейных перемещений при перепаде давления в 1 атм на гибких элементах вакуумных вводов движения. Это усложняет конструкцию вакуумных манипуляторов и узлов позиционирования объектов. Создание таких устройств со сложной кинематической схемой требует больших трудозатрат, длительного срока отработки и планируется при необходимости на последующих стадиях работ. Поэтому в настоящее время реализована более простая методика в среде инертного газа (аргона) при атмосферном давлении.

Методика разгерметизации контейнеров в среде инертного газа

Разгерметизация в среде инертного газа позволяет проводить операции при атмосферном давлении. Тем самым устраняется перепад давления на гибких элементах передачи движения через вакуумную стенку. Это позволяет использовать мануальное обслуживание рабочих органов оператором через эластичный участок герметичной стенки, выполненный в виде перчаток из эластомера. В этом случае сами рабочие органы представляют собой обычные ручные инструменты (отвертки, гаечные ключи и пр.), что существенно упрощает рабочие процедуры и конструкцию узлов крепления и позиционирования объектов. При этом отпадает необходимость разработки, изготовления и эксплуатации сложных вакуумных манипуляторов, но взамен требуется создание системы кондиционирования газовой среды внутри камеры. Отсутствие непрерывной откачки газа приводит к накоплению в камере продуктов газоотделения с внутренних стенок и примесей из системы наполнения инертным газом, содержащих химически активные компоненты (кислород, воду, оксиды углерода, азот). Поэтому система кондиционирования должна обеспечивать непрерывную очистку инертного газа за счет его циркуляции через газопоглощающие элементы.

Методика разгерметизации гермоконтейнеров в среде инертного газа при атмосферном давлении включает следующие операции:

1) загрузка гермоконтейнера в камеру,

2) фиксация перчаток оператора в закрытом положении, защищающем их от повреждения перепадом давления при начальном вакуумировании камеры,

3) высоковакуумная откачка камеры до давления 10^-3-10^-2 Па в течение нескольких часов,

4) отсоединение камеры от вакуумной системы,

5) напуск в камеру инертного газа (аргона) из баллона высокого давления до выравнивания с внешним атмосферным давлением,

6) циркуляционная прокачка газа из камеры 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, аналогичных операциям п.п.4-25 вакуумной методики, но с помощью инструментов оператором в перчатках,

9) выключение и герметизация системы циркуляции и очистки газа,

10) открытие фланца камеры и извлечение гермоконтейнера и гермопеналов,

11) закрытие фланца камеры.

При сравнении описанных методик видно, что их реализация имеет общие элементы. Операции проводятся внутри герметичной камеры, которая после загрузки вакуумируется до давления 10^-3-10^-2 Па. Таким образом, необходимы вакуумная камера, способная выдержать атмосферное давление снаружи, и система высоковакуумной откачки с запорно-коммутационной арматурой. Поскольку эта часть стенда характеризуется наибольшими массогабаритными характеристиками, материалоемкостью, трудоемкостью и стоимостью и является общим элементом обеих методик, то в качестве первоначальной стадии работы была принята более простая схема разгерметизации в среде аргона. При этом сохраняется возможность ее развития на последующих стадиях в более сложную чисто вакуумную схему при необходимости улучшения условий разгерметизации, а также при разработке методики контроля свойств извлеченных образцов материалов непосредственно в вакуумной камере.

Схема стенда для разгерметизации герметичных транспортных контейнеров показана на фиг.2. Вакуумная камера 1 через соответствующие вакуумные клапаны 2 присоединяется к форвакуумному насосу 3, течеискателю 4 и высоковакуумному насосу 5. После закрытия контейнера в камере 1 производится вначале форвакуумная, а затем высоковакуумная откачка. Используются насосы АВЗ-20 и агрегат АВП-250 с быстротой действия 1000 л/с. Контроль течей проводится течеискателем ПТИ-14. После достижения вакуума 2·10^-3 Па в камеру напускают аргон из баллона с редуктором, входящего в состав системы 6 очистки и циркуляции газа. Система также содержит мембранный насос, реактор с окисью меди для поглощения кислорода, осушитель газа и запорно-коммутационую аппаратуру.

Схема вакуумной камеры приведена на фиг.3. Корпус 1 камеры диаметром 800 мм, длиной 1000 мм выполнен из нержавеющей стали. Один из двух торцевых фланцев 2 ДУ-705 снабжен смотровым окном о и двумя фланцами П с перчатками. В боковых фланцах 3 также имеются окна и 2 перчатки. С помощью перчаток оператор осуществляет операции внутри камеры. Через нижние фланцы 4 производится откачка и напуск газа. На верхних фланцах 5 размещены манометрические датчики и электрические герморазъемы.

Благодаря описанному способу возможно оценить стойкость материалов космической техники к действию ФКП наиболее достоверно, так как уменьшается постэкспозиционое влияние окружающей земной атмосферы.

Источники информации

1. S.L.В. Woll, H.G. Pippin, M.A. 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. К.К. 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.

Формула изобретения

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 и возвращают на Землю, где в лабораторных условиях определяют изменение свойств испытуемых материалов, по которому судят об их стойкости, отличающийся тем, что упомянутый контейнер с образцами укладывают для возвращения на Землю в герметизируемый в условиях космоса транспортный контейнер, а определение изменения свойств испытуемых материалов проводят, помещая этот герметичный контейнер в вакуумную камеру с контролируемой инертной средой, где сначала производят раскрытие транспортного контейнера с извлечением образцов, а затем каждый из образцов размещают в отдельном герметичном пенале, с последующим проведением испытаний образцов для определения изменения их свойств в вакуумной камере.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3