Космические воздействия характеризуются совокупностью воздействий космической среды, к которым относятся: глубокий вакуум, невесомость, температура, электромагнитные и корпускулярные излучения, наличие метеорных частиц, магнитных и гравитационных полей и др.
При изучении параметров космических условий выделяют три среды: межзвездную, межпланетную, атмосферу планет и их спутников.
Межзвездная среда состоит из межзвездного газа и мельчайших твердых частиц пыли, заполняющих пространство между звездами в галактиках. Межзвездная среда вблизи Солнца переходит в межпланетную среду.
Межпланетная среда заполняет пространство между планетами Солнечной системы. Она состоит из ионизированных атомов водорода и атомов гелия (90 и 9%). Наибольший интерес представляет для нас атмосфера Земли и ее внешняя часть - экзосфера.
Изменение параметров атмосферы Земли с высотой выглядит следующим образом, таблица 1.
Таблица 1 - Изменение параметров атмосферы Земли с высотой
| Высота, км | Давление, Па | Температура, К | Концентрация частиц, см-3 | Характеристика вакуума |
| Уровень моря | 1,33∙105 | 2,7∙1019 | - | |
| 8,5∙10-5 | 7∙109 | Глубокий | ||
| 4∙10-7 | 2,5∙107 | Глубокий | ||
| 4∙10-9 | 1,5∙105 | глубокий | ||
| 2,5∙10-10 | 1∙103 | сверхглубокий |
В космических условиях все факторы действуют на фоне глубокого вакуума, что ускоряет протекание различных физических процессов. В космическом пространстве любой материал выделяет газы и пары, примеси и добавки, аскорбиновые кислоты на поверхности и в объеме.
Космический вакуум вызывает сублимацию поверхностных слоев материалов ЭА, т.е. с течением времени происходит уменьшение исходной толщины. Например, пластины Zn или калия за год уменьшаются за счет сублимации на 0,1мм при температуре поверхности 100-150С. Если использовать Al, Si, Cu, Ni, и Br., то для получения такого же результата, необходимо Т = 750-1000.
Потери полимерных соединений происходят главным образом за счет разложения в более простые летучие вещества. Массопотери некоторых материалов достигают 2% при циклическом изменении температуры 90-120С и облучении Солнцем.
В результате происходит изменение теплофизических и диэлектрических характеристик материалов. Теплообмен может осуществляться только за счет излучения. Затруднена теплопередача за счет соприкосновения, из-за микронеровности и вакуумных промежутков между ними. В среднем падение температуры воздуха с высотой составляет примерно 0,56° на каждые 100 м вертикального подъема.
В тропосфере температура воздуха уменьшается на 4-8° на каждый километр высоты. Если летом у земли температура +20 - + 30°, то на высоте 3-4 км температура около 0°, а на высоте 9-11 км достигает минусовой температуры 40-50°.
На рисунке 1 указаны значения температуры в зависимости от высоты, принятые в качестве международного стандарта. Этими значениями пользуются для расчетов и сопоставления данных. На этом же рисунке для того случая, когда необходимы более точные сведения о температуре, приведены зависимости температуры от высоты над уровнем моря для субтропической зимы, умеренного лета и тропического лета.
Рисунок 1 - Стандартная температура атмосферы:
1—умеренное лето; 2—тропическое лето; 3—международная стандартная атмосфера; 4—субарктическая зима.
На рисунке 2 приведены значения плотности воздуха в зависимости от высоты над уровнем моря.
Представляют практический интерес для проектирования аппаратуры средние значения относительной и абсолютной влажности в атмосфере в зависимости от высоты над уровнем моря. Эти зависимости приведены на рисунке 3.
Тропосферу от стратосферы отделяет переходная область протяженностью 1 — 3 км, называемая тропопаузой. Ее высота над земной поверхностью зависит от географической широты места.
У экватора температур а в тропопаузе на высоте 16—18 км равна примерно 70—80°С; у полюсов высота тропопаузы равна 3—6 км и температура в ней значительно выше.
Над тропопаузой начинается стратосфера. В отличие от тропосферы, где температура в основном регулируется турбулентным перемешиванием воздуха в стратосфере регулятором температурного режима является лучевой теплообмен. Стратосфера простирается до высоты 60-70 км.
Самые верхние слои атмосферы, расположенные за стратосферой, называются ионосферой. Молекулы воздуха этих слоев сильно ионизированы.
Нижний слой ионосферы, лежащий на высоте 70-90 км (слой Д), образован ионизацией излучением хромосферы, а расположенный на высоте 90-100 км (слой Д) - рентгеновским излучением короны Солнца.
Зависимость температуры от высоты в верхних слоях атмосферы, если взять некоторые средние значения, вырисовывается в следующем виде: начиная с высоты 11 км, температура остается постоянной примерно до 20 км и равной -560С. Затем на высотах 20—50 км наблюдается повышение температуры за счет интенсивного поглощения ультрафиолетового солнечного излучения слоем озона, расположенного на этих высотах.
На высоте около 50 км температура атмосферы достигает примерно +70° С. Далее начинается новое понижение температуры. На высоте 80-100 км температура падает примерно до -60° С и затем неуклонно повышается, переходя в область положительных значений.
Это повышение температуры связано с бомбардировкой земной атмосферы космическими частицами и с солнечной радиацией.
Невесомость — как фактор космического пространства имеет место при свободном орбитальном полете. По воздействию на ЭС невесомость оказывает влияние на тепловой режим изделий через изменение гидродинамики теплоносителей, процессов кипения и конденсации хладагентов.
Поэтому фактор невесомости обычно учитывается только для ЭС, размещаемых в герметизированных отсеках космических аппаратов.
Основным источником лучистых тепловых потоков в космическом пространстве служит Солнце.
Энергия в спектре излучения распределяется следующим образом:
• 9% -ультрафиолетовое излучение;
• 46% -видимое излучение;
• 45% -инфракрасное, остальное - рентгеновское и корпускулярное
излучение.
|
В свою очередь, поверхность земли посылает на поверхность КА длинноволновое излечение, т.е. тепловой поток, составляющий на низких орбитах до 40% плотности потока прямого солнечного излучения.
Рисунок 2 - Стандартная плотность воздуха:
1 — субтропическая зима; 2 — международная стандартная атмосфера;
3—умеренное лето; 4 — тропическое лето.
Рисунок 3 — Зависимость относительной (1) и абсолютной (2) влажности воздуха от высоты над уровнем моря:
φ - относительная влажность; ω- количество водяных паров, г на 1 м
воздуха.
ЛИТЕРАТУРА
1. Грицай С.П., Гурский М.С., Яруничева Е.В. Программа, методические указания и контрольные задания по курсу “Методы и средства испытаний РЭС (ЭВС)”. Мн.: БГУИР, 2003
2. Гурский М.С. Лабораторный практикум по курсу “Испытания, контроль и сертификация радиоэлектронных средств”. Часть-1 Мн. БГУИР, 2000.
3. Гурский М.С. Лабораторный практикум по курсу “Испытания, контроль и сертификация радиоэлектронных средств”. Часть-2 Мн. БГУИР, 2002.