Воздействие ультранизких давлений

Испытание ЭС на воздействие ультранизких давлений проводят для определения способности материалов и элементов ЭС сохранять при таких давлениях свои параметры в пределах, указанных в НТД, а также для проверки правильности принятых схемных и конструктивно-технологических решений. Испытание осуществляют в глубоком вакууме. Минимальная продолжитель­ность испытания равна (или несколько превышает) времени установления стационарного исследуемого процесса или явления. Ориентировочные значения давлений, необходимые для воспроизведения в лабораторных усло­виях основных физических явлений, происходящих в космосе, приведены в табл. 3.

Материалы, узлы, элементы, а также ЭС в целом подвергают испытаниям в вакуумных установках. Современная вакуумная испытательная установка - сложная система, в состав которой входят: вакуумная камера с системой трубопроводов, разнообразные насосы, вакуумметры, термометры, расходомеры криогенных жидкостей, емкости и баллоны с криогенными жидкостями, регуляторы, клапаны и краны, электроприводы, блоки контрольно-измерительной и управляющей аппаратуры.

Параметры вакуумных испытательных установок: рабочий объем камеры от 0,2 м³ (для малогабаритных установок) до 134 000 м³ (установка центра им. Арнольда, США, для испытания космических кораблей); минимальное давление до 10^-12 Па; коэффициент возврата молекул Z₀ ~10^-2...10^-2. Вакуумные испытательные установки различаются также по следующим параметрам: составу остаточных газов; виду откачивающих насосных систем (масляная, безмасляная, парортутная и т.д.); скорости откачки камеры; неравномерности распределения давлений, потоков частиц и температур по объему и внутренней поверхности камеры; диапазону рабочих температур; времени выхода на рабочий режим; производительности и сроку службы.

Многие молекулы газа, покидая поверхность исследуемого объекта, отражаются от стенок испытательной установки и возвращаются на объект. Это происходит многократно до тех пор, пока молекулы не будут захвачены стенками. Отношение числа молекул, возвращающихся на объект в единицу времени, к числу молекул, покидающих его, называют коэффициентом возврата молекул ().

В вакуумных испытательных установках в зависимости от наибольшего давления запуска (максимального давления во входном сечении насоса, при котором он может начать работу) и предельного остаточного давления в вакуумной камере используют насосы предварительной, основной и вспомогательной откачки. Одновременно используют несколько типов насосов из-за избирательной откачной способности насоса каждого типа к удалению различных паров и газов. Наиболее часто применяют комбинацию турбомолекулярного и ротационного (для предварительной откачки) насосов; цеолитового и диффузионного с ловушками на жидком азоте для защиты от миграции паров масел; титанового сублимационного, криогенного, гетероионного или магнитного электроразрядного (для основной и вспомогательной откачки.

По принципу действия вакуумные насосы делятся на проточные и сорбционные. Проточные насосы удаляют газ из откачиваемого объема. В сорбционных газ обычно остается внутри насосов в связанном виде на сорбционных поверхностях или подповерхностных слоях; скорость откачки пропорциональна площади сорбирующей поверхности; предельное остаточное давление зависит от процессов десорбции.

Таблица 3

Ориентировочные значения давлений, необходимые для воспроизведения основных физических явлений в космосе, при испытании ЭС в лабораторных условиях

 

Вид испытания	Давление, Па
Проверка механической прочности и герметичности корпусов ЭС при воздействии перепада давлений	~103
Проверка на отсутствие воздушного демпфирования конструкции ЭС при вибрации	≤10-1
Проверка теплового режима ЭС при теплопередаче излучением	≤10-2
Влияние электрических зарядов, утечек, ионизации на работоспособность ЭС	≤10-3
Исследование физических свойств конструкционных материалов (прочности, ползучести, внутреннего демпфирования)	≤10-4 (в зависимости от давления насыщенных паров исследуемых материалов)
«Холодная» сварка	<10-5

 

Продолжение табл. 3
Излучение процессов испарения и сублимации материалов и их переконденсации	Длина свободного пробега молекул должна быть больше характерного размера установки
Исследование адсорбции и химического взаимодействия остаточных газов с поверхностью материалов	<10-5...10-12
Проверка узлов трения	<10-5...10-12

 

По назначению вакуумные насосы делятся на форвакуумные (для создания в системе низкого и среднего вакуума при наибольшем давлении запуска 1-10 Па) и высоковакуумные (для создания высокого и сверхвысокого вакуума).

Иногда между ними ставят промежуточный (бустерный) вакуумный насос. Форвакуумными насосами производят начальное вакуумирование установок, т. е. снижение давления от Па примерно до Па. По достижении требуемого давления эти насосы отключаются и начинают одновременно работать насосы основной и вспомогательной откачки (в диапазоне давлений 10^-3... 10^-12 Па).

Основную откачку вакуумной установки осуществляют обычно криогенными насосами (примерно до 10^-12 Па), обеспечивающими огромную скорость откачки, низкий коэффициент возврата, а также остаточный газ, приближающийся по составу к газу в космосе. Эти насосы изготовляют в виде криорешеток различной конфигурации, охлаждаемых специальными хладаген­тами. Эффективным технологическим способом, облегчающим получение ультранизких давлений, является прогревание установок с целью усиленного газоотделения из их отдельных частей. Прогревают, как правило, малогабаритные и иногда среднегабаритные установки.

Для вспомогательной откачки раньше применялись исключительно паромасляные диффузионные насосы. Однако у них есть существенный недостаток — наличие обратного потока паров масла из насоса в рабочую камеру испытательной установки. Создание ловушек, охлаждаемых жидким азотом, только уменьшает, но не исключает поступление в камеру масляных паров. В космосе такие пары отсутствуют. (Поэтому возникла необходимость применения так называемой «безмасляной» откачки, т. е. откачки насосными системами, не использующими масла и другие органические продукты. В качестве насосов вспомогательной откачки служат криосорбционные и ионные насосы.

Для измерения давления газов ниже атмосферного применяют вакуумметры, действие которых основано на использовании различных физических закономерностей, прямо или косвенно связанных с давлением газа. Так как диапазон давлений в вакуумных установках очень широк (от атмосферного до 10^-12 Па), то существуют вакуумметры различных типов: механические, термопарные, ионизационные и др.

Вакуумметры обычно состоят из двух частей: манометрического преобразователя и измерительной установки. Преобразователи вакуумметров имеют неодинаковую чувствительность к различным газам. Если преобразователь проградуирован по воздуху, а применяется для измерения давления других газов, необходимо учитывать относительную чувствительность:

 

, (50)

где - чувствительность преобразователя к данному газу;

- чувствительность к воздуху.

Вакуумметры измеряют общее давление газов, присутствующих в вакуумной системе. Однако при оптимизации вакуумных технологических процессов и проведении испытаний ЭС требуется измерять не только общие, но и парциальные давления остаточных газов.

Работа измерителей парциальных давлений (ИПД) основана на принципе ионизации молекул газа и разделении положительных ионов в зависимости от отношения массы к заряду иона (). По характеру используемых электромагнитных полей ИПД можно разделить на статические и динамические. В статических приборах используют постоянные, а в динамических - переменные электромагнитные поля.

Измерители парциальных давлений (как и общих) характеризуются нижним и верхним пределами измеряемых давлений, чувствительностью, а также присущим только им параметром — разрешающей способностью. Под разрешающей способностью ИПД понимают отношение массового числа иона к наименьшему различаемому его изменению :

 

, (51)

 

где ; - молекулярная масса иона, а.е. м.;

- число элементарных зарядов.

Экспериментально определяют с помощью масс-спектрометра.

 

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: