Введение к работе
Актуальность темы. Дія нормальнее функционирования космических объектов необходимо осуществлять контроль за вначенияш потенциалов на поверхности их конструкционных материалов.
Экспериментально установлено, что зарядка диолектря-ческих покрытий космического аппарата /КА/ относительно окружавдей плазми может вызвать мектронно-етнмулнрованнне разряда /ЭСР/, вбусловянващае аномалии а сбей в работе бортовой аппаратура, а также деградацию материалов и, как следствие, секраиенне пребывания аппарата на орбите /I/.
Накопление на поверхностях КА отличных от нуля алект-ричеекях потенциалов отмечалось при их первых полетах. Но 5ольаие отрицательные потенциалы /до нескольких киловольт/ были установлены де Форестом в І97І-І972 г. по спектрограммам, полученным е геостационарного КА ATS-5 во время прохождения по аатененнецу участку врбнти, пеаже - Олеенем и Пурвиевм с КА АТ5-6 /около -19 кВ/.
Iі! - Inouye G. 7.', СЛскЛ? Л.С. ПІШІ, Trans. Nuc. Sc!.-1982. - V. /VS-29 - Й 6 - P.I589
Шхсишльнав, зафиксиреваюшв в теки Зеылн, втрида-тельныв Евтвидиая составил -19 кВ. Шесте в тем установлене, чте навбальвую енаенесть представляют ЭСР, катерна ме-гут развиваться при дестаточнв аевнеаких ветеицвалах: ухе крх аатаициахах алементав джелвктрдческвх ваярнтаі -6 КБ а ара ах зарядке етиееительн* неддвхкя -/2*5/ кВ, а яв вря -/10*20/ кВ, как are биле уетаяевлена ж лабаратарвых аксвервментах х.
Оддам as астечнхкав разжатая ЭСР метут являться кав-струхива тага велехительинв дн&хехтрвх - отрицательных метай, кетерые крх радвацааявеы ваздвветваа заряжается да указавшее выве внеаках атрмц&тальинх ввтенідаахвв.аиачв-тельн* вревквахэдх кентактвую разке сть ветеипдалев, абус-левдававдхх рабету внхеда алехтранев as металла в двыекг-рих. Падвхвтальная зарядка жделахтриаа ае втневехвв х ыв-тахличвекед авдлеххв в таких кеаструвдаях абуславлева алехтрафвзи-ческвыа свейетвамв ыатерналвв.
При вездевствав на двалехтрак высакезиергетдчесхаыв лектревами в вретахами яеынш хакез втеричнвв алектрех-вав «массаж, катерая абуславлена как ветаино втврачанмх злектранами, так а уаруге в неувруге етрахевишх алактре-аамя /тех аеследдах еаетавляат -5% ет така вервых /2//
as враававрхвестяаге елея диелввтрада тахцвнех менее -І юш, в era абъеыа ебразуется ррувжа ге-варврааавявх в гердоеввеваваахел алехтрекав, дра!уіщах в вале ебъемнага заряда, ебладахцвх «xepraet, недестатеч-яеі для выхеда аз диэлектрика в вакуум, ж ферыирущих тех радиацвеиве-наведеинав ареаадиместв.
П* скельку ввергая ЭСР в джмактричеенжх векрнтвях КА. запасается ка стадии какежлення нреджребейнега заряда, рас-ираделвкиа жетараг* в ебъеые абеевачавах* така радвадоех-aa-вавадванві праведаместа, вахаа ивутать ах радь в вре-цессе аакаалеаая заряда, чтабн ве дахуетвть развитие ЭСР.
* - Рабата /Ї/, указанная в внеска на стр.3 /2/- Днрхав В.Н. Бездействие биетрых електреаав аа абъем-ані заряд в диэлектриках. Ддсеартащя на сейск.учен.стеж, каид.фдз.-мат. наук - Темсх, 1984
Велнчвну этих таков мажне «аределатз па рассавтаянкм глубижямы заваежмавтям важрлжеяяеетв алевтрвчвеквх велоа х квротивзамкяутых даалектричасхях вдваках талвдвов да ^-170 шм, «блуааашсх меаааяергатачвгквыя алахтреяама о энвргвен д» -80 каВ н влатнасты) така яучка -2000 яі/ем2: ара ааярякекнветях валя ебъамаого заряда -80 Ш/и валячана алотяветв така утечка шает состава» - 64 жк/str при вед-ввхжвета алектрвявв -10" eir/B-e л квжцвнтрапая вебедшсг алеятрааоз -5*10 см~ у матерям - кварц К-208/ /3/.
ИЗЗЄЄТІШ Ж ДЙЯНЯв ИаТурЗНХ »ВЄЖЄрЛМаНТЄЗ ВО азМврвНЖВ
зелйчжны така утечка. 28 марта 1979 г. на свутиике Р78-2 ара врахвждеяяв шаг така Земля з гзвмагжатназевмтдвкныа верна д образцн вантева толвднва -50 tmt, расвележежяыв ва цеатральке* часта коряува, зарядилась да жатенпвала -1.7 кЗ етнвеателья» еяруаахщан ялазмы а валежательяо отжеев-тельно карвуса аяяарата /нетанцнал коржуеа еастажлях -4 хВ/ а сохранялись такеаыма да захода сяутника а область сзетвтеяж. В течение «тага варвада измерялась залатана ялетнеетн тока утечка яа кораув, которая оетавалась этне-сательао вестеяннеі до захода аз области теаа я ееставля-ла~50 вА/ем2 /4/.
При обдучввва маяеанергетичасхаын алектренаия кварцових аденок толщина! -150 ш&, заряженша лележительяо отко-сжтвльяо нвдлежхв, бала уетаневлевв, тав жри жетввцжалах жедлегкв -2.5 аВ н -4.5 аВ велачина адатваетв века утач-хв ееставида -20 яА/сы2 в -30 зк/сгР саответстзенно *.
Известна тееретячаакав работы ао расчету мубаяних распределена! налряденнасти электрического валя объемяоге заряда а така радяацнеяне-иаввдвяиеі ярезоджшета в облу-чаамнх к»В~ныш злектрав&мж двадектричвсквх влаяках, аа-ряхеиинх да ветевдааяоз швее -I кВ» кагда возявкает вероятность диффузионного дрежфа, обусловленного ва яееблу-
/3/ - Ягувквв Н.И. ж др.//Исследования на геомагнетизму. аарояемая я фввике Солнца.-М.: Наука, 1989.- Вив. 86, с .131
/4/- Лес/*? J4.s,t кьп Н /с./}. //У. SfiQceorb^t я„с/ /?ос/е-ь.. -1981,- V. 18 - » 6 - Р. 510
а - Данные заимствованы из работа /I/, указанно! в сноске аа стр.3
чаеыем контакте ияжекдаеі. Учет зтеге »$фекта бшс иреведен автерачи рабвтн /5/ х результате шсявяквгв /итеративнеге/ ренеяяя стацненарнвж системы, соствящвх аз кинетичесвеге уравнения для електренеа и уравнения Пуаееена с граничними уелвваямн для кенцентрацяи вяектрвнев и навряженнести лвдя «бъвмнвгв заряда на вбдучавмвх а яееблучавивж неверх-нвстях. расчета ирвведенн для кавтеневвй кленки твлиинех ~6.4 ыки, еблучаемвіі електрвиамн s енергиеі -28 кэВ а илвтнеетью тека вучка ~1000 нА/еи /длина хребега злвктре-авз с внергнвж~28 к»Б в кантене свставлявт~6.5 мкм, согласие дайнам рабеты /5/ЛСкервсги генерации мектрвнне-ды-рвчннх хар и наквиления избытечнвгв вбъеыивге заряда задавались еднервдшшн и равными, ееетввтегвеннв,~ 3-Ю21 м-3-в"1 и ^9.77 «ТО18 м~3в-1 хра хвз$фндхевтв реквмбянации к | Ю"13 м3в~*. Евхвнжмвегь електренеа рассчитывалась в ре-иные твхев, еграинченнах ирвстранетвенннм ебъешиш варя-дем в днелектрикв с мелкхш лввуиквмя /б/.Инхекцая аа хн~ хежтнрувдеы квятакте задавалась услевхеы равенства нули иахряженнести хеля ебъемнегв заряда. Прх анализе иелучан-ннх результатов счета была «бнарухеаа завнежместь ірецас-евв раднациеннв-наведеннва хрвввдиместн ет яеяяривети нрн-двжехнвгв к вблучавмві хвверхнвета хетенциала, а также не-вбхвдимветь учета инжекда через явдлежку в ебъем дивлект-раческе* пленки ври ивлехнтельне варлхевнві вбдучавмвх хе-верхнветн де кетенщалев менее -200 етнвеитедьне аедлех-хх.
Таким вбразем, ирвведенные де настеящеге ыемехта »ке-херныентальне-теврегичвекне рабвтн ивзвеляют сделать вак-лючехие, с еднех стерехы, втнвеительне величин иетендхалеа вблучаекеж нвверхнести, текев радиадавине-иаввдеанех ирв-ведимести, распределении аажряяеннести елехтричеехвге хвля вбьемхвтв заряда в иврвткв8амкиутих дввлехтричеевих нлеи-
/5/ - PQrke>~ l.W., МсЄєп&г? А // 2ЕЄ ^«soc-fr^s On /Vucfeqr Thence, YoetfS-3-f. /Ye 6, fce~,&^ /9W, p. 1368-1374
/6/ - Ламнерт M., Марк П. Иихенщеиные теки в твердни телах. М.: Мір, 1973, е.32, 33
ках а области'сальних нолей /~ДО7 В/и /, с другой сторони, еудествуют вкскериментально-теоретические исследоваг ная диффузионного дрейфі э облучаемых в»В-ннмн электронами заряженных диэлектрических пленках з области слабых млей /яра потенциалах открытой поверхности диэлектрических пленок менее ~і кВ/. Поэтому авторам было проведено исследование нроцеесов раднадиенио-наведеннві арвводкмво 73 заряженных до высоких потенциалов диэлектрических нлв-нок, облучаемых высвкоэиергетическиш /кэВ-ннми/ электронами и протонами в соответствии с данными натурных экеае-ршентов.
В периоды геомагнитных возмущений на больвнх высотах,
з том числе а на геостащенарной орбите, жвтвки электрв-нвв с энергиями до 100 к»В могут достигать до -100 зА/еМ* .» протонов приблизительно с такими же анергиями - на два порядка ниже. Таким образом, если севеставить величины токов радиациенно-наведенной проводимости, эксперименталь но измеренные,в величинами плазменных токов, те можно зак лючить,ч?в первые могут быть в 2+3 раза меньве электронных плазменных токов.не в то же время да два порядка превосходить протонные плазменные токи. Поэтому учет токов радиационно-наведенной проводимости позволит корректно рассчитывать потенциалы конструкционных материалов КА с целью разработки мер,направленных на минимизацию опасных последствий радиационного воздействия на материалы КА.
Такої учет тем более важен,т.к. в существующих в настоящее время пространственных физико-математических моделях электризации высоковрбитальных К А, дозволяючих рассчитывать потендаальные поля вблизи моделе! КА геометрически сложной формы, рассматриваются плазменные электронные и протонные токи, но не учитываются токи прово-
димаети, нрев*сх*дяиде нрвгевяые на два нврядна.
Навбелввее чвел* етказвз а сбвев в работе б«рт*в*в аппаратура а систем КА вабяюд&хвсь на выевте геввтацаенав-ввв *рбвгв і геемагнвтаевмиуиенннв верведв в їєни Зовдн. Целью иаатеодсй ?аб*ти является разрабвтка в проверка ые-мдвки расчета тека радващ*нв*-наведенн*Ё древе диме ста в «бъеме нлвскег* дналектрачеекм'* СЛОЯ Т*ЛИДН*В де мвллв-метва, аеделарувдег* «лемент двмектрачеекег* некрнадя КА, spa усяевва кегда в ней шгут раздаваться сальные веля, буеяевлвваювде вницвврввание! »лвктр#ннв-стамулированних разряде».
В качестве радиадавянег* в*здеаетввя на сдутнвк в ваетадщеж рабете раееыатравалвеь ж*т*кн вдектрвнев в виер-гвяма де ~Ю0 к»В s влетнеетью тека ~95 вА/юг в нретвнев с энергиями де -120 к»В и алвтнестію тека -0.32 иА/ем2. Такеє «транвчеяве внределеке на ««западав анализа данных натурних »ксверамент*в /?, 8/ нрв внаекщш *яектр*н*в, вротенов а аеаев с внертаяма в десятка квлввдежтреа-веяьт as вяазыеннег* ед*я. Ь&ахсшадыше нетека адектренев наблюдаются в пеелевелув*чя*м х утреанеи свкгерах магнвтвефвры, а вретенвв а иенев - в нредн*лун*чн*м в вечернем, чт* ввязав* е различным направлением ірадиентню* дрвіфа втих чаетац. Креие теге, уеганевлене /8/ етсутетвве в »тв аерд-еды внаектареванних частжц а енвришш белее I МэВ в электренев с енергиямв белее -100 квВ, та» ввязан* с хх бельшш магнитным меыекгеы, ввледетвае чеге *на не достигают нелунечнва области г-е*стацненавнев ербвтн. Петеки иретенев е энергиями белее 120 к»В на три перядка ивхе лектренных в на два перядка - нетекев иретенев с енерга-яма менее 120 кэВ. Функпая раснределения инжектарвванных в гевмарнитневезмущенныв неравд чаетиц в* внергаям будет втлнчна вт максвеллевскеа, нескольку инжекция епределяет-ея резкам везраетанаем /веалескем/ нетека частиц вареде-
А/ - Нивада А. Геомагнитна* днаенез магнатесферн. -Ы.: Мир, I960. - С.І8І, 182, 186, 192.
1980.- V. 85.- P.2043
деннвж энергии, вяослвдстваи «на трансформируется в двух-макеаеллввекув. Па«тему s работе проводились расчеты как для нормальне расяредоленных ж* анергдям заряженных час-гвц, т&к а дхя случал их дзухмаксвеллевеквгв расвредедония, Кзаэшветоянетзв ветенЕнаїоа конструкционных катериа-Л9ї в нерщд пребывания спутника в области теня Земхи установлена вяенержментадьне а объясняется бельвеї іяектрв-ческеа емкоетыз сяутннка н мадкмя токаш утечка.
Для достижения заставленной цели з работе реваются следущие задача:
икхвкщвнная задача с разработанными авторэц краевыми условиями, взредеденная на овнеэаниа обцвж фвквмекэло-гическеі тверда Рвуза-Фаулера-Ваїеберга радиационной электрической проводимости диэлектриков}
исследование ее рекения, змлученнвго с вамэцьв численных методов: внределение вероятна оти араб* ев диэлектрических некритий спутника, а таклв расчет их внтшшьнва твлвднн.
Иетоды аеелед+ваиия. Результата расчетов оанр&втея на ясяользовааве известных математических методов:
нрибливенное ранение /стационарное/ модели Роуза-Фаулера-Ваяеберга радаацавние-наведенней ирвввдишсти диэлектриков;
итеративное определение гранячннх условна для нанря-яеяяоетинеля объемного заряда к системе уравнений Реуза-Фаулера-Вайсберра в стационарном дриближеиин;
яеяаговве интегрирование рэвеыия састемн уравнена!;
онраделенве онтимальяей толдинн диэлектрических нек-ритвй КА на максимуму значений нлотнеста тока радаацаенне-иаведеннев проводимости через границу соприкосновения диэлектрик-металл и минимуму интегральной напряженности ноля объемного заряда нри различных толщинах диэлектрических покрытий в диапазоне от -100 мкм до -200 мкм. Такое ограничение выбрано на всновании ухе имеющейся практики эксплуатации диэлектрических покрытий в условиях космоса: покрытия тоньве -100 мкм не выполняет своих основных функций /теклозавдкных и т.д./, а некрытая толщиной более ~200 мкм
увеличивают вес спутника. Достоверность расчетных данных енределяется, ве-нервых, согласованностью с экспериментальными данными /ексаеримент: облучение кеБ-ннми електронами заряженных положительно пв отношению к иедавжке кварцевых пленек толщиной 150 мки ври потенциалах недлежкн -2.5 кБ и -4.5 кВ обусловило теки радаациенне-наведекней проводимости плотностью ~20 иА/см2 и ~30 нА/см2 ^ответственно; расчета автора; при воздействии заряженных частиц с нормальным спектрам на кварцевую пленку толщиной 150 мкм с егкрнтей поверхностью, заряженной до потенциала -7.8 кБ, и подложкой, заряженной д# -Ц кВ, Еяетность тока раднацивянв-наведеиней проводимости составила ~5б нА/см2/. а, во-вторых, ревениеы тестевых задач.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Приведена исследование реиения ннжекциенной задача с разработанными автором краевыми условиями, определенно! на основании етациенарнеро дриближения додели Реуза-фауде-ра-Вайсберга. Анализ такого исследования структур "желвии-тельный даелекгрик - отрицательный мвтмл" иезвелнл установить следующее: в случае воздействия на диолектрическже пленки частиц с нормальным сиектреы, дивлекгрих ведет себя как иреводник - теки іреведашвстж инжектируют избыточный отрицательны* заряд И8 диеяектрика в металл; в случае воздействия частиц с двухмаксвеллевскиы еиентрем днмектрих ведет себя как иелуиреведник - ИЕхекция «дектрвнеж ив металла в диелектрдх будет кемиенсжревать неде статен отрицательном объемного заряда, обусловленный сильно! вторичной «миссией /в расчетах учитывался тех истинно вторичных алектронов и не жринимаяся во внимание ток унруте и неун-вуге отраженных електренов ввиду его яезначительноетн, установленной охсворнмекталыо /см. ссылку /2/ на стр.4//.
-
Проведено исследование реиения еитимизационкей задачи но выбору толщины диэлектрических некритий поверхности спутников. Анализ исследования был уточнен spa изучении глубинного неведения дифференциально! величины - напряженности ведя объемного заряда, что возводило сделать
я - Данные заимствованы из работы /I/, указанно! на етр.З
заключение относительно взтимальної толщины диэлектричес-' кнх некрыта! спутник».
3. Уточнена физико-математическая модель олектризации зысехоорбитальинх КА е учетом ноля объемного заряда дно-лектрическнх некритий.
На защиту заносятся;
-
Мвтвдяка расчета тек а радиационно-наводеннои яреве-диивсти диэлектрических материалов.
-
Результаты расчетов с номэцы) разработанной методики я вакета прикладных яр9гра?а< - уточненные потенциалы открытой иэверхивстя, глубинные распределения напряженности веля вбъемнвгэ заряда а тока раддапивинэ-наводеннви ярэводамести кварцевого стекла, нолиащда, нолаотияеатерв-фталата.
3. Практические рекомендацій етноснтельно выбора ожтя-
маяьнвЗ твлжкны диэлектрических покрытий КА.
Практическая данность и реализация результатов работы. Практическая значимость работы ежредедявтся:
использованием рассчитанных авторам по разработанной методике характеристик тенвпреввдшвстн кварца а иелаама-да, яетеяцаалов хонструхдвойных матераалов поверхности модели КА в иотеящальивго ноля з ер окрестности з работе а НПО им.С.А.Лавэчх2на, что подтверждено Актом, вндаяшш это! «рганжзацаеі;
возможностью использования разработанной автором методика дія изделий КБ "Салют", что двдоврядвнв Заключением, заданным ото! организацией.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывалась ва ыеядународней научнв-твхянчеснеї конференции "Космонавта - XXI век", ^Калининград Шок. обл., сентябрь 1991; на научных семинарах в ИОФ РАН, МГАПИ /г. Москва/, ЩИИ-22 /г.Мнтици Моск. обл./, июнь-нвдь 1997 и др.
Публикации.Основные результата диссертация овубликоза-нк в 14 работах, нвречисленних в конце автореферата.
Структура я объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глаз, заключения, списка литературе и 2 приложений. Работа изложена на 156 листах. Из них 38 етраниц-таблицн и рисунка, 8 - ежисок литературы из 81
наименеваша, 10 страниц - нралежения.
