1.2. ВЛИЯНИЕ ВАКУУМА

Давление среды на высотах 100-200 км от поверхности Земли порядка 10^-2 - 10^-4Па*, а в межпланетном пространстве - 10^-10Па. Человек, попадая в условия таких низких давлений, погибает из-за недостачи кислорода и кипения имеющихся в его теле жидкостей. Очевидно, что при космическом полете экипаж КА должен находиться в герметичной кабине или в скафандре, в которых обеспечиваются определенное давление и состав окружающей человека газовой среды.

* (

)

Выбор и обеспечение на борту КА давления и газового состава атмосферы подробно рассмотрены в главе 7.

В условиях вакуума, особенно при высокой температуре, происходит испарение некоторых материалов, что крайне нежелательно для тех из них, которые имеют целевое назначение, например покрытия с определенными радиационными характеристиками, смазки трущихся частей и т. п.

В наземной вакуумной практике большинство веществ испаряются настолько медленно, что их потери можно не учитывать и, кроме того, эти потери не имеют такого значения, как в космосе, поскольку любая деталь или механизм легко могут быть заменены.

Скорость испарения вещества (в г/см2 х с) в вакууме описывается формулой Ленгмюра

(1.3)

где р_Н - давление насыщенного пара данного вещества, Па;

μ - молярная масса вещества, г/моль;

Т - температура испаряющейся поверхности, К.

Формула (1.3) выведена для абсолютного вакуума, поэтому реальная скорость испарения в космическом пространстве будет меньше расчетной. Для некоторых металлов, используемых в качестве конструкционных материалов и покрытий, графики расчетных зависимостей скорости испарения от температуры показаны на рис. 1.2. Из графиков видно, что в реальном диапазоне температур (123 - 423 К) металлы, используемые в качестве конструкционных материалов КА, достаточно устойчивы к испарению в вакууме; наименьшей стойкостью обладают используемые для покрытий кадмий и цинк.

Рис. 1.2. Скорости испарения в вакууме наиболее часто применяемых материалов

Неорганические материалы (керамика), состоящие из окислов и других соединений, обладающих низким давлением паров, пригодны для длительного использования в космическом пространстве.

Органические материалы в отличие от металлов теряют вещество не только за счет испарения или сублимации с поверхности, но главным образом за счет разложения, протекающего по всему объему детали или элемента (табл. 1.3).

Таблица 1.3. Расчетные температуры, соответствующие 10%-ным потерям вещества в год при р = 1,333 х 10sup-4/supПа

Значительный разброс температур (см. табл. 1.3) объясняется различием мономеров, из которых получены одни и те же полимеры, наличием в полимерах примесей и присадок, особенно катализаторов, используемых при полимеризации.

Сублимацию материалов можно уменьшить нанесением на их поверхность защитных пленок. Для металлов, например, применяют фосфатирование и оксидирование, в качестве покрытий для пластмасс - как органические, так и неорганические вещества, пластмассовые оболочки, как правило, металлизируют - покрывают слоем алюминия, иногда золота.

Сложной задачей является обеспечение в вакууме смазки трущихся поверхностей (шарниров, подшипников, выдвигающихся телескопических механизмов, зубчатых передач и т. д.), так как обычные жидкие смазки непригодны или ограниченно пригодны из-за высокого давления паров и изменения вязкости от температуры. Испарение смазки приводит к сухому трению неокисляемых в вакууме поверхностей. Чистые поверхности при контакте подвержены интенсивной диффузии и «холодной сварке». Жидкостная смазка, однако, если исключить ее испарение, будет работать в космосе так же хорошо, как и в наземных условиях.

Для уменьшения вредного влияния вакуума на работу трущихся поверхностей используют несколько методов: первый - герметизация трущихся пар (размещение трущихся пар в герметичных отсеках, применение герметических уплотнений валов при малых скоростях вращения, использование магнитного привода через стенку при малых моментах и т. п.); второй - использование смазочных веществ с низким давлением насыщенных паров, имеющих наименьшие потери при испарении, в частности твердых смазочных материалов, а также специальных покрытий (в качестве твердого покрытия и компонента вакуумных смазок эффективен дисульфид молибдена MoS₂, достаточно хорошие результаты получены при использовании в качестве твердых покрытий серебра, золота и бария); третий - подбор материалов для трущихся пар, которые обеспечили бы хорошую работу в условиях полета. В последнем случае лучшими достоинствами (несвариваемость контактирующих поверхностей в вакууме при повышенных нагрузках и температурах, хорошее взаимодействие сопрягаемых деталей не только с использованием смазки, но и при сухом трении, так как такие трущиеся пары часто являются самосмазывающимися) обладают неметаллические материалы. Из полимерных материалов хорошие показатели имеют фторорганические соединения.

Наличие космического вакуума используется для создания экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), применяемой для снижения внешнего теплообмена КА (подробнее см. главу 6), а также в ряде устройств, в которых соответствующие полости вакуумируются за счет сообщения с окружающим КА пространством (высокотемпературные печи для технологических экспериментов, конденсаторы, радиолампы и т. п.).

В условиях космического полета вокруг КА возникает собственная атмосфера, образующаяся за счет газовыделения и сублимации летучих материалов с внешней поверхности КА, неизбежных утечек газа из его гермоотссков, выхлопных продуктов реактивных двигателей, различного рода пылевых частиц и т. п.

Собственная атмосфера, вызывая изменения оптических характеристик окружающей среды и внешнее загрязнение элементов КА, может быть причиной возникновения помех в системах астроориентации, чувствительной оптической аппаратуры, повышения коэффициента поглощения терморегулирующих покрытий и др. Ее наличие следует учитывать при выборе аппаратуры КА и разработке методов решения тех или иных научных и технических задач.