Содержание к диссертации
Введение
1. Сущность исследуемой проблемы, история и состояние вопроса в настоящее время 20
1.1. Микрогравитационная обстановка на КА. Гравитационно- конвективные и изотермические течения в условиях пониженной силы тяжести 20
1.2. Эксперименты по росту кристаллов и исследованию физических и физико-химических процессов на орбитальных КА 33
1.3. Экспериментальные исследования гравитационно- инерционной и вибрационной конвекции на космических аппаратах 44
2. Экспериментальные исследования тепловой конвекции с использованием прибора «Дакон» 52
2.1. Обоснование системы измерения конвекции и результаты математического моделирования 52
2.2. Физическое моделирование слабых течений в кубической конвективной ячейке в наземных условиях 59
2.2.1. Устройство наземного варианта прибора и описание лабораторного оборудования 59
2.2.2. Результаты экспериментов и их обсуждение 61
2.2.3. Сравнение экспериментальных и расчетных данных... 67
2.3. Течения в жидкости при угловых качаниях конвективной ячейки 69
2.3.1. Методика эксперимента и используемое оборудование 69
2.3.2. Результаты экспериментов и их обсуждение 71
2.4. Прибор для проведения космических экспериментов - датчик конвекции «Дакон» 74
2.4.1. Устройство прибора 75
2.4.2. Наземные калибровочные испытания 78
2.5. Космические эксперименты с прибором «Дакон» 82
2.5.1. Проверка функциональных параметров аппаратуры в бортовых условиях 83
2.5.2. Калибровка прибора на борту ОК «Мир 87
2.5.3. Эксперименты в условиях микрогравитационной обстановки на ОК «Мир» 97
2.6. Выводы и предложения по совершенствованию датчика
конвекции для Международной космической станции . 106
3. Исследование тепловой конвекции в окрестности термодинамической критической точки на ОК «Мир»... 109
3.1. Особенности конвекции в сверхкритических жидкостях... 110
3.2. Описание оборудования ALICE-1,2 114
3.3. Методика эксперимента ALICE-1 116
3.4. Измерение микроускорений на корпусе аппаратуры ALICE-1 -во время проведения экспериментов на ОК «Мир» 118
3.5. Анализ эксперимента ALICE-1 121
3.6. Эксперименты с контролируемыми вибрационными воздействиями на аппаратуре ALICE-2 128
3.6.1.Методика эксперимента 130
3.6.2.Результаты экспериментов 130
Основные результаты и выводы работы 136
Список публикаций
- Эксперименты по росту кристаллов и исследованию физических и физико-химических процессов на орбитальных КА
- Экспериментальные исследования гравитационно- инерционной и вибрационной конвекции на космических аппаратах
- Сравнение экспериментальных и расчетных данных...
- Измерение микроускорений на корпусе аппаратуры ALICE-1 -во время проведения экспериментов на ОК «Мир»
Введение к работе
Актуальность проблемы
Развитие космонавтики стимулировало исследования процессов роста полупроводниковых и белковых кристаллов, получения сверхчистых и композиционных материалов, электрофореза, поведения жидкости, газа и плазмы в условиях невесомости. Предполагалось, что отсутствие силы тяжести на орбитальных космических объектах, как одного из основных факторов, определяющих тепломассоперенос в жидкостях и газах, позволит реализовать практически диффузионный режим массопереноса в большинстве технологических процессов и получать в этих условиях высококачественные материалы с высокой однородностью свойств. Кроме того, ожидалось, что исключение конвекции даст возможность получить точные значения отдельных теплофизических параметров различных веществ. Однако результаты уже первых экспериментов, выполненных в условиях реальной невесомости, свидетельствовали о возможном влиянии на эти процессы микрогравитационной обстановки, существующей на борту космических аппаратов (КА). Наблюдалась значительная неоднородность концентрации легирующих примесей в выращенных кристаллах, невоспроизводимость результатов одних и тех же космических экспериментов, проведенных на одном и том же оборудовании, но в разное время. Ряд кристаллов, выращенных в орбитальных условиях, имел более высокую неоднородность свойств, чем их наземные аналоги. В экспериментах по выращиванию кристаллов из газовой фазы наблюдалась неожиданно большая скорость роста, чем это следовало, исходя из модели диффузионного массопереноса. Диффузионные коэффициенты переноса, измеренные на КА с использованием виброзащитных платформ, ослабляющих действующие вибрационные микроускорения, были
значительно ниже найденных на фоне собственных микроускорений в обычном режиме полета КА.
Многие из перечисленных выше явлений могут быть объяснены наличием слабых конвективных течений, способных возникать в микрогравитационном поле КА. Первые экспериментальные подтверждения этого были получены на основе анализа теплопроводности сжиженных газов ещё во время полета КА «Аполлон-14». Однако, попытки прямого наблюдения и исследования конвекции, обусловленной действующими на борту КА микроускорениями, предпринятые до работ, выполненных в рамках настоящей диссертации, были безуспешными.
Воздействие реального поля массовых сил на борту КА оказалось более сложным, чем это представлялось на первом этапе исследований. Последующие работы и эксперименты, дополнительный анализ уже выполненных экспериментов показали, что сложившаяся ситуация связана с недостаточной изученностью физических основ проблемы. Действительно, в космических экспериментах, в силу имеющихся представлений о перспективах переноса в космос производства ряда уникальных и дорогостоящих полупроводниковых и биологических материалов, наибольшее развитие получили процессы объёмной кристаллизации из раствора, направленной кристаллизации из раствора или расплава, бестигельной зонной плавки и роста из газовой фазы. Эти процессы сильно зависят от состояния среды, из объема которой к границе растущего кристалла поступают исходные компоненты: градиентов температуры и концентрации; наличия и свойств примесей или транспортных агентов; наличия потоков, их характера и интенсивности; скорости движения и формы фронта кристаллизации; наличия или отсутствия свободной поверхности; теплофизических свойств среды и условий теплопередачи. В силу такого большого количества действующих факторов и параметров, практически невозможно иметь полную
информацию, характеризующую тот или иной технологический процесс, а выявление и анализ влияния микроускорений на сложные и взаимосвязанные физические механизмы, сопровождающие такие процессы, зачастую наталкивается на непреодолимые трудности. Кроме того, микроускорения на борту КА сами по себе являются сложным объектом для исследования. В частности, на КА может не быть постоянного выделенного направления вектора остаточных ускорений, как это имеет место в наземных условиях, а имеется эволюция его по амплитуде и по направлению. В этом случае, знание только отдельных параметров микроускорений, например их амплитудной и частотной характеристик, не позволяют правильно интерпретировать космические эксперименты. Осложняющим фактором также является то, что в наземных экспериментах из-за относительно больших гравитационно-конвективных эффектов невозможно создать условия полного подобия при моделировании слабых течений как гравитационной, так и иной природы и, следовательно, получить исчерпывающие данные о наличии и роли тех или иных физических механизмов и о справедливости теоретических моделей гидродинамики невесомости.
Понимание вышеизложенных проблем направило дальнейшие усилия на более подробное изучение фундаментальных закономерностей гидромеханики и тепломассообмена в условиях орбитального полета при обеспечении одновременных измерений бортовых микроускорений. Становится признанным, что для проведения эффективных исследований необходимо в максимальной степени использовать математическое и физическое моделирование для космических условий. Это позволяет уточнить параметры проведения экспериментов, оптимизировать разрабатываемую научную аппаратуру, минимизировать затраты на проведение дорогостоящих космических экспериментов, уточнить требования к условиям микрогравитации на борту КА, определив
критические микроускорения (суммарное возмущение, частотный спектр, длительность воздействия и т.п.) для каждого из исследуемых процессов. К настоящему времени такие требования имеются для Международной космической станции (см. гл. 1), но они вырабатывались в период конца 80-х - начала 90-х годов прошлого века и сейчас ясно, что требуется их переосмысление и уточнение. В этой связи нужно отметить, что из-за невозможности выполнять необходимое количество экспериментов непосредственно в условиях отсутствия силы тяжести, по крайней мере, до окончания развертывания МКС, математическое и физическое моделирование, а также исследование соответствующих процессов на Земле должны иметь решающее значение при подготовке космических экспериментов.
Таким образом, обсуждаемые причины обусловили необходимость систематических экспериментальных исследований конвективных течений на Земле и в космосе при контролируемых и заданных граничных и внешних условиях, с тем, чтобы получить возможность тестирования применяемых математических моделей, определить характеристики внешних воздействий, оказывающих существенное влияние на изучаемые процессы, и найти способы управления этими процессами.
Практической реализацией указанного подхода стали развиваемые в настоящей диссертации именно такие методы проведения бортовых экспериментов на орбитальной станции «Мир», а также прямые эксперименты по обнаружению и изучению:
тепловой гравитационно-инерционной конвекции в газовой среде;
тепловой вибрационно-инерционной конвекции и явлений, связанных с воздействием вибраций, в сверхкритических средах.
Методом исследования в первом случае явилось измерение температурного расслоения в газовой среде, вызванного свободной или вынужденной конвекцией, во втором — прямое наблюдение искажений фронта температурной волны, распространяющейся от источника нагрева.
Гравитационно-инерционная чувствительность неоднородных сред позволила предложить метод оценки микрогравитационной обстановки на борту космических аппаратов, основанный на зависимости интенсивности регистрируемых конвективных потоков от остаточных ускорений. Откликом на воздействие микроускорения в случае разработанного в рамках диссертационной работы прибора «Дакон», будет разность температур между отдельными точками в объеме воздушной конвективной ячейки во времени, которая при известных условиях на границах ячейки и теплофизических свойствах среды будет мерой интенсивности конвективных течений, и, соответственно, действующих микроускорений. Следовательно, датчик, основанный на таком принципе может служить индикатором микроускорений, причем его особенностью будет способность интегрально воспринимать не только величину и преимущественное направление квазистатических и низкочастотных ускорений, но и угловые ускорения.
Здесь необходимо отметить, что свойство конвективного датчика одновременно воспринимать микроускорения различного вида, когда на его выходе будет иметься только один или несколько интегральных сигналов, с одной стороны, усложняет анализ и интерпретацию полученных данных, с другой- перспективно при отработке математических моделей гравитационно-инерционной тепловой конвекции для реальных условий космического полета. Поскольку датчик имеет выбранные оси максимальной чувствительности, то при использовании системы из нескольких взаимно ориентированных датчиков в сочетании с компьютерными программами по расчету конвекции возможно измерение
величины и направления квазистатических, низкочастотных и угловых составляющих ускорений. Это открывает более широкие возможности для мониторинга динамической обстановки на борту КА, определения степени влияния вибрационных и инерционных микроускорений на различные жидкостные или газовые системы и технологические процессы, а также определения для этих систем и процессов допустимых и критических уровней действующих микроускорений. Конечно, точность измерений, выполненных с использованием гравитационной чувствительности конвективных ячеек, не будет высокой. Однако, учитывая то, что и шкала гравитационной чувствительности большинства изучаемых в условиях микрогравитации гидродинамических процессов также определена с точностью не более половины порядка величины, применение предложенной системы является более, чем оправданным. Таким образом, указанный прибор, выполненный в различных модификациях, может быть рекомендован, как часть системы сертификации космических аппаратов (КА) и, в том числе, Международной космической станции для проведения технологических и ряда других гравитационно-чувствительных экспериментов.
Особенностью экспериментов по исследованию тепловой вибрационно-инерционной конвекции, предпринятое в настоящей диссертации, является то, что объектом исследования выбраны состояния среды, когда она находится в далекой (0.1 -5 К) окрестности критической точки. В этом случае, как оказалось, возможно учесть или практически полностью устранить тепловую гравитационную конвекцию, связанную с фоновыми ускорениями, и исследовать явления, связанные с вибрационными воздействиями. Для околокритических сред такие эксперименты были возможны только в условиях микрогравитации на борту ОК «Мир» из-за значительного расслоения среды в условиях земной силы тяжести.
Учитывая изложенное, можно считать, что тема диссертационной работы является актуальной.
Цель работы
Целью работы являются экспериментальные исследования, направленные на выявление и изучение конвективных явлений, обусловленных микроускорениями, действующими на борту Орбитального комплекса «Мир», и вынужденными вибрационными воздействиями. В диссертации ставятся задачи:
разработать и реализовать методы наземного физического моделирования конвективных процессов применительно к условиям микрогравитации;
разработать и реализовать методы проведения бортовых экспериментов на орбитальной станции «Мир» при контролируемых и заданных внешних воздействиях;
экспериментально обнаружить и исследовать тепловую конвекцию в газовых и сверхкритических средах, вызываемую фоновыми микроускорениями, а также при вынужденных вибрационных воздействиях на пилотируемой орбитальной станции;
исследовать степень и характер отклика конвективных ячеек с исследуемыми средами и заданными граничными условиями в зависимости от параметров действующих постоянных и переменных микроускорений.
Научная новизна результатов
Научная новизна работы заключается в экспериментальном подтверждении возникновения конвективных течений, вызванных действием слабых гравитационно-инерционных полей и вибрационных воздействий на орбитальных КА, и проведении ключевых экспериментов по исследованию конвективных процессов в зависимости от условий микрогравитации, а именно:
тепловой гравитационно-инерционной конвекции в газовой среде;
тепловой вибрационно-инерционной конвекции и явлений, связанных с воздействием вибраций, в сверхкритических средах.
При этом впервые:
разработаны и реализованы методы проведения исследований тепловой конвекции в условиях действия слабых гравитационно-инерционных сил на борту пилотируемого орбитального комплекса «Мир» с обеспечением контролируемых и заданных внешних условий и воздействий;
экспериментально подтверждено возникновение гравитационно-инерционной тепловой конвекции в газовой среде, вызванной действием микроускорений на КА;
прямыми экспериментами, позволяющими проводить численную проверку результатов, подтверждена предсказанная ранее теоретически и на основе косвенных экспериментов, более высокая гравитационная чувствительность неоднородных по температуре сред к составляющей остаточных микроускорений, ортогональной градиенту температуры;
проведены измерения конвекции и оценка низкочастотных микроускорений в модулях ОК «Мир» при различных режимах полета станции и активности экипажа;
выполнен сравнительный анализ данных, полученных с помощью аппаратуры «Дакон», с результатами расчетов угловых скоростей и угловых ускорений ОК «Мир», полученных другими авторами для режимов изменения ориентации станции;
разработаны конвективные ячейки для экспериментального исследования тепловой гравитационно-инерционной и вибрационной конвекции на космических аппаратах, проведено наземное моделирование течений в этих ячейках применительно к микрогравитационной обстановке на ОК «Мир»;
разработана научная аппаратура для экспериментального изучения гравитационно-инерционной конвекции на ОК «Мир» — прибор «Дакон»;
определена амплитудно-частотная характеристика конвективной ячейки (датчика) аппаратуры «Дакон» с использованием периодических колебаний инерционного поля;
выполнены бортовые эксперименты по изучению конвективных течений в сверхкритической жидкости в далекой окрестности термодинамической критической точки;
экспериментально обнаружено, и на основе модели динамической стабилизации объяснено ориентирующее действие вибрационного поля на тепломассоперенос в сверхкритической жидкости в условиях микрогравитации;
предложена программа и выполнены эксперименты по изучению параметров виброзащитной платформы ВЗП-1К с использованием бортовых микроакселерометров и датчика конвекции «Дакон».
Научная и практическая значимость работы
По мнению автора диссертации, научная и практическая значимость работы состоит в том, что в ней обоснована необходимость и впервые экспериментально подтверждена возможность использования гравитационно-чувствительных физических моделей с заданными и контролируемыми граничными условиями, как одного их элементов сертификации условий микрогравитации на космических аппаратах и Международной космической станции для ряда технологических и научных экспериментов. Экспериментально апробированы методы изучения конвективных явлений в условиях микрогравитации, в том числе применительно к технологиям получения новых материалов в космосе и контролю микрогравитационной обстановки на беспилотных и пилотируемых орбитальных объектах. При этом:
полученные экспериментальные данные представляют интерес для математического моделирования конвективных процессов, протекающих в условиях микрогравитации, включая технологические процессы получения различных материалов в космосе;
разработанные в диссертационной работе методы исследования могут использоваться при постановке дальнейших космических экспериментов по изучению тепловой и вибрационной конвекции в различных средах;
полученные результаты и экспериментальная методика позволяют в наземных условиях для определенных диапазонов параметров моделировать процессы, протекающие в невесомости;
экспериментально обнаруженные эффекты возбуждения конвекции слабыми остаточными и вибрационными микроускорениями и методы измерения конвекции позволяют перейти к детальным исследованиям конвективного тепломассообмена в условиях микрогравитации;
- результаты диссертации вошли в Предложения, Научно-технические обоснования и Технические задания на космические эксперименты «Изгиб» и «Крит», направленные на изучение микрогравитационной обстановки и конвективных процессов на Международной космической станции.
Результаты диссертации использовались Ракетно-космической корпорацией «Энергия» им. СП. Королева, г. Королев, Центральным НИИ машиностроения, г. Королев, Институтом проблем механики РАН, г. Москва, Институтом прикладной математики РАН, г. Москва, Пермским государственным университетом при проведении и анализе результатов экспериментов «Дакон», 1998-2000; ALICE-1, 1995; ALICE-2, 1998-2000, «Демпфер», 1996-2000, выполненных на ОК «Мир» в целях исследования проблем гидродинамики и физики жидкости в невесомости, контроля микрогравитационной обстановки и обеспечения требуемых уровней микрогравитации на борту станции.
Результаты наземного физического моделирования тепловой и вибрационной конвекции для условий микрогравитации в газовых средах использованы в Ракетно-космической корпорации "Энергия" при создании и экспериментальной отработке на борту ОК "Мир" прибора «Дакон», аппаратуры ALICE-1 и ALICE-2.
Данные, полученные в диссертации, нашли применение в Институте проблем механики РАН и Институте прикладной математики РАН при тестировании математических моделей, используемых при расчетах конвекции для условий микрогравитации, уровней и характера микроускорений при различных режимах полета ОК «Мир».
Материалы диссертации вошли в лекции и лабораторные практикумы «Гидромеханика невесомости», «Конвекция жидкостей с особыми свойствами» и «Конвекция в замкнутых объемах» для студентов
3-5 курсов физического факультета ПермГУ по специализации «Физическая гидродинамика».
Работа выполнялась в рамках «Программы научных и прикладных исследований и экспериментов на ОК «Мир», разрабатываемых кафедрой общей физики ПермГУ, научных тем «Гидромеханика невесомости» и «Конвекция и теплообмен в ламинарном, переходном и турбулентном режимах; влияние осложняющих факторов на конвективную и гидродинамическую устойчивость». Исследования проводилась также по программе «Университеты России» (1992); проектам Минобразования РФ (1992, 1994, 1996, 2000, 2002); Миннауки РФ (1995); гранту Российского фонда фундаментальных исследований и Департамента образования и науки Администрации Пермской области 01-02-96479;
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием современных методов измерения и обработки данных, детальной проработкой методических вопросов, подробным анализом погрешностей и воспроизводимостью результатов. В тех задачах, для которых имеются теоретические результаты, наблюдается их согласие с экспериментальными данными автора. Также его результаты согласуются с данными других авторов, полученными в соприкасающихся областях исследуемых параметров.
Автором представляются к защите:
методика и аппаратура - прибор «Дакон» — для экспериментального изучения гравитационно-инерционных конвективных движений в стратифицированной по температуре жидкости, находящейся в реальном микрогравитационном поле космических аппаратов;
методика и результаты калибровки прибора «Дакон» в наземных условиях;
результаты калибровки прибора на борту ОК «Мир» по отношению к вынужденным переменным ускорениям;
экспериментальное обнаружение гравитационно-инерционной тепловой конвекции на ОК «Мир» и подтверждение более высокой гравитационной чувствительности неоднородных по температуре сред к составляющей остаточных микроускорений, ортогональной градиенту температуры;
результаты экспериментальных исследований тепловой гравитационно-инерционной конвекции и оценки низкочастотных микроускорений в различных модулях орбитальной станции;
сравнительный анализ данных, полученных с помощью аппаратуры «Дакон», с результатами расчетов угловых скоростей и угловых ускорений ОК «Мир», полученными другими авторами для режимов изменения ориентации станции;
результаты лабораторного моделирования течений, возникающих в конвективной ячейке прибора «Дакон» в неоднородно нагретой жидкости под действием вращательных вибраций, характерных для условий орбитального полета;
предложения по совершенствованию датчика конвекции для Международной космической станции;
методика, результаты и интерпретация экспериментальных исследований тепловой вибрационно-инерционной конвекции в сверхкритической жидкости в далекой окрестности термодинамической критической точки в условиях микрогравитации;
методика и результаты испытаний виброзащитной платформы ВЗП-1К совместно с прибором «Дакон» и бортовыми микроакселерометрами в условиях ОК «Мир».
Апробация работы и структура диссертации
Результаты диссертации, в частности, докладывались на I и II Российских национальных конференциях по теплообмену, Москва, 1994, 1998; VII Российском Симпозиуме "Механика невесомости. «Итоги и перспективы фундаментальных исследований гравитационно-чувствительных систем», Москва, 2000; VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, Пермь, 2001; I и II Российских конференциях по космическому материаловедению, Калуга, 1999,2003; International Symposium on Hydrodynamics and Heat/Mass Transfer in Microgravity, Perm-Moscow, 1991; International Workshop "Non-Gravitational Mechanisms of Convection and Heat/Mass Transfer", Zvenigorod, 1994; International Aerospace Congress, Moscow, 1994; Aerospace Sciences Meetings & Exhibits, Reno, NV, 1995, 2000, 2003; Third Microgravity Fluid Physics Conference, Cleveland, Ohio, 1996; Joint Xth European and Vlth Russian Symposium on Physical Sciences in Microgravity, St. Petersburg, Russia, 1997; Russian-French Workshop on Near-Critical Fluids Space Flight Experiments, Toulouse, 1997; XVIII Microgravity Measurement Group Meeting, Florida, 1999; 1st Meeting of the Topical Team "Chemical-Physics in Near-Critical and Supercritical Fluids", Paris, 2000; 20th International Congress of Theoretical and Appllied Mechanics, Chicago, 2000; International Symposium «International Scientific Cooperation onboard Mir», Lyon, 2001; X - XII Международных зимних школах, Пермь, 1995 - 1999.
Результаты работы неоднократно обсуждались на Пермском Гидродинамическом семинаре, 1994 — 2002; семинарах Института проблем механики РАН, Института теплофизики СО РАН, Института механики сплошных сред УрО РАН, Seminar "Chemistry and Material Science", University of Alabama in Huntsville, 1997.
Результаты работы также рассматривались на Научной сессии Отделения проблем машиностроения, механики и процессов управления
РАН "Задачи механики в условиях микрогравитации", Москва, 1993; заседаниях секции № 1 "Космическое материаловедение" Совета РАН по космосу, Москва, 1996, 2000; подсекции 9.3 "Механика невесомости и гравитационно-чувствительные системы" КНТС Росавиакосмоса, Москва, 1999; проблемного совета № 4 РК НТС Росавиакосмоса, Москва, 2000.
Диссертация состоит из Введения, 3-х глав, Основных результатов и выводов, Списка цитируемой литературы (143 наименования). Общий объем диссертации 156 страниц, включая 62 рисунка и 2 таблицы.
Перечень публикаций автора по теме диссертации включает 47 наименований. В публикациях [31, 52-58,75, 79, 80, 92-98, 112-122, 129- 137], посвященных экспериментам «Дакон», ALICE-1, ALICE-2, «Демпфер» на ОК «Мир», наряду с коллегами, сотрудниками РКК «Энергия», участвовавшими в разработке и испытаниях аппаратуры и сопровождении космических экспериментов, соавторами выступали космонавты, проводившие опыты на ОК «Мир», сотрудники ПермГУ, специалисты ИПМ РАН по численному моделированию конвекции, специалисты ИПМат РАН и РКК «Энергия» по измерениям и расчетам микроускорений, сотрудники ЦНИИМАШ по созданию и изучению виброзащитных платформ в условиях ОК «Мир». В этих работах автору принадлежит часть, связанная с постановкой экспериментальных исследований на орбитальной станции «Мир», разработкой программ экспериментов и технической документации, методик проведения бортовых экспериментов, участием в обосновании задач наземных и космических экспериментов, разработке, изготовлении и испытаниях лабораторных и летных комплектов приборов, предполетном обучении экипажа в Центре подготовки космонавтов, наземном моделировании и калибровке в невесомости, проведении космических экспериментов, обработке и интерпретации результатов.
Работа [26], обобщающая итоги экспериментов на ОК «Мир», выполнена без соавторов, в работах [52-57,92,98,99,130] автору принадлежат: — участие в разработке оборудования, наземной отработке экспериментов и методик их проведения на борту ОК «Мир», интерпретации данных наземной отработки; в работах [31,93 - 97, 112-122,129,131-137,140] автору принадлежит часть, связанная с постановкой экспериментальной части исследований на ОК «Мир», результаты измерений микроускорений, разработка программы бортовых испытаний виброзащитной платформы ВЗП-1К и исследований термогравитационной и вибрационно-инерционной конвекции, участие в разработке оборудования, методик его использования, подготовке и реализации бортовых экспериментов и интерпретации данных; в работах [75,79,82,83,90,98,100,105,142] - участие в анализе результатов космических экспериментов, используемого и перспективного оборудования, разработке оборудования, методик проведения экспериментов, подготовке и реализации бортовых экспериментов и интерпретации данных; [58] — участие в лабораторном моделировании и интерпретации результатов.
Благодарности
Автор выражает глубокую признательность коллегам, космонавтам, специалистам организаций, проводившим совместную работу по подготовке и реализации бортовых экспериментов на станции «Мир», начиная от идеи эксперимента и заканчивая обработкой данных и интерпретацией результатов. Особую благодарность заслуживают: автор идеи конвективного датчика д.ф.-м.н., проф. В.И. Полежаев, научный руководитель темы д.ф.-м.н., проф. Г.Ф. Путин, автор первых и ключевых экспериментов по росту кристаллов в космосе д.т.н., проф. B.C. Земсков и д.т.н., проф. В.П. Никитский, длительное время возглавлявший программу научно-исследовательских работ на Орбитальном комплексе «Мир».
Эксперименты по росту кристаллов и исследованию физических и физико-химических процессов на орбитальных КА
Наибольшее количество экспериментов, направленных на получение совершенных материалов в космосе, было выполнено на пилотируемых орбитальных станциях «Салют» с использованием электропечей «Сплав», «Кристалл», «Магма», «Корунд» в 1975 - 1988 г.г. [20-22,75-80]. Эти эксперименты подтвердили, что при соблюдении ряда условий и ограничений возможно получение в отсутствие силы тяжести высококачественных полупроводниковых монокристаллов с высокой степенью однородности структурных и электрофизических свойств. Программа исследований на пилотируемом орбитальном комплексе «Мир» формировалась уже на основе результатов, которые были получены на предыдущих орбитальных станциях, и была направлена на разработку отдельных базовых технологий высококачественных монокристаллов и эпитаксиальных структур перспективных материалов микроэлектроники, таких как арсенид галлия, гетероэпитаксиальныи кремний, теллурид кадмия, оксид цинка и ряд других [75, 79].
Выбор такого направления исследований имел под собой как экспериментальные, так и технико-экономические основания. Во-первых, эксперименты, выполненные на станциях «Салют» [22,79], показали, что в условиях микрогравитации при наличии незначительного свободного объёма происходит почти полное устранение контакта расплава со стенками ампул. Во-вторых, технологические проблемы, связанные с неоднородным распределением примесей в растущем кристалле, в том числе вызванные эффектом максимума концентрационной неоднородности [5], снимались использованием беспримесных исходных материалов. В-третьих, для получения большинства объемных полупроводниковых монокристаллов использовался метод выращивания из газовой фазы, имеющий гравитационную чувствительность, примерно на два порядка меньшую, чем в расплавных методах [89]. Показанные преимущества реализации экспериментов в космосе позволяли значительно снизить термические напряжения и, тем самым, плотность дислокаций в выращиваемых кристаллах, получать чистые монокристаллы, не загрязненные материалом стенок ампул, повысить однородность их структурных и электрофизических параметров. Такие материалы могли быть использованы для разработки и совершенствования передовых способов изготовления приборов микроэлектроники с новыми качественными параметрами, а также как эталонные, обеспечивающие продвижение новых наземных технологий в производство. Именно в этих направлениях были получены первые перспективные результаты при создании отдельных образцов приборов микроэлектроники, лазерной и ИК-техники с недостижимыми ранее параметрами. Однако переход к широкому внедрению полученных в космосе материалов не произошел. Основной причиной этому было недостаточная воспроизводимость параметров полученных в ходе бортовых экспериментов полупроводниковых образцов [26]. Выполненный анализ показал, что, несмотря на меры, направленные на снижение чувствительности выполняемых экспериментов к остаточным и вибрационным ускорениям, полностью исключить этого влияния не удалось.
В этой связи имеет смысл рассмотреть характерные эксперименты с точки зрения их гравитационной чувствительности и возможных механизмов влияния условий микрогравитации на станции «Мир».
Эксперименты по росту кристаллов на Орбитальном комплексе «Мир» до июня 1990 г. проводились в базовом блоке на установках «Корунд-1М» и «Галлар». В этот период была выполнена серия экспериментов по выращиванию локальных эпитаксиальных структур кремния из газовой фазы с дальнейшим разращиванием на диэлектрике. Сравнительная оценка однородности толщины и удельного сопротивления показала, что неоднородность удельного сопротивления снизилась с 20% для образцов, полученных на Земле, практически до 0% для космических образцов. Разброс толщины — соответственно, с 10 до 2 и менее процентов. Плотность дефектов снизилась на два порядка — до 2x102 см"2. Таким образом, результаты этих экспериментов продемонстрировали значительное улучшение качества эпитаксиальных структур, получаемых в отсутствие силы тяжести [76, 79, 142]. Столь удачные результаты можно объяснить практически равными скоростями роста кристаллов в локальных структурах до момента их выхода на поверхность диэлектрика и, соответственно, равными временами бокового разращивания эпитаксиальных структур на поверхности диэлектрика. Последнее обеспечивало однородность толщины, электрического сопротивления и структурных параметров получаемых эпитаксиальных структур. Равные скорости роста кристаллов в локальных структурах, достигнутые в космических экспериментах, по всей видимости, объясняются переходом к чисто диффузионному механизму переноса транспортных агентов в канальных отверстиях микронных размеров в условиях микрогравитации. Этот механизм, в отличие от наземных условий, где можно ожидать возникновение микроконвекции в зонах роста кристаллов, обеспечивал одинаковую скорость переноса для всех равномерно распределенных по площади диэлектрика микроокон.
Экспериментальные исследования гравитационно- инерционной и вибрационной конвекции на космических аппаратах
К настоящему времени имеется весьма небольшое количество экспериментальных данных о конвекции, вызванной слабыми остаточными и вибрационными ускорениями на борту КА. Что касается данных, позволяющих проводить численный анализ результатов и количественное сопоставление интенсивности конвекции с действующими микроускорениями, то таких данных до выполнения работ в рамках настоящей диссертации не было.
Первый эксперимент по конвекции в невесомости проводился во время возвращения корабля «Apollo-14» от Луны к Земле в феврале 1971 г. [ПО]. В нем предусматривались наблюдение структуры рэлеевской конвекции в плоском неизотермическом слое жидкости с помощью термочувствительной жидкокристаллической пленки и регистрация теплопереноса. В двух других экспериментах, выполненных на кораблях «Space Shuttle», поведение неоднородно нагретой жидкости изучалось с помощью электрохимической метки нейтральной плавучести, IML-2, июль 1994 г. [86], и интерферометром, STS-73, октябрь 1995 г. [111]. Все три указанных эксперимента не принесли положительных результатов.
Причиной могло быть значительное расхождение между имеющейся и реально необходимой для анализа и управления процессами тепло- и массообмена информацией о микроускорениях. Во многих случаях регистрация микроускорений осуществляется лишь в отдельно выбранные периоды времени, а не в течение всего эксперимента. Современными акселерометрами также недостаточно разрешаются и не учитываются в полной мере при постановке и анализе экспериментов квазистатические, линейные низкочастотные (0.01 Гц и менее) и вибрационные угловые ускорения, которые, как обсуждалось в разделе 1.1, могут являться основным источником инерционной конвекции в невесомости. К недостаткам исследований, выполнявшихся в начальный период на КА, следует также отнести ограниченность наземной отработки экспериментов и проблему сопряжения экспериментальных данных с теоретическими моделями, что затрудняло их анализ и интерпретацию. Это было связано как с малой разработанностью трёхмерных численных моделей, так и с неполнотой сбора необходимой информации о реальных микроускорениях на борту КА. С учетом данного фактора, в более поздние периоды были предусмотрены меры, направленные на повышение роли теоретических моделей, наземной отработки и информационной поддержки космических экспериментов [26].
Изучение течений в квазистатических и вибрационных полях планировалось провести в рамках Программы по исследованию гидродинамических явлений в невесомости [49] с помощью автоматизированного измерительно-управляющего комплекса «Фаза». С этой целью в Пермском университете была изготовлена ячейка, рассчитанная на применение интерференционных и температурных методов, лазерной доплеровской анемометрии, визуализирующих меток. Результаты наземного моделирования движений жидкости в этой кювете описаны в [50, 51]; при этом впервые были экспериментально реализованы параметрический резонанс, динамическая стабилизация и осредненные вибрационные течения [125, 126]. Аппаратурный комплекс «Фаза» на ОК «Мир» и КА «Фотон» доставлен не был, в связи с чем Программа [49] осталась невыполненной.
Практической реализацией вышеназванного подхода стала постановка на станции «Мир», в том числе в рамках настоящей диссертационной работы, прямых экспериментов «Дакон», «АЛИС» и «Виброкристаллизация» по обнаружению и исследованию тепловой гравитационно-инерционной и вибрационной конвекции в условиях космического полета [112 - 122, 129 -137]. Первые систематические исследования [112-122] течений в микрогравитационном поле были выполнены на Орбитальной станции «Мир» в период июнь 1998 — июнь 2000 г.г. с прибором «Дакон». Для исключения термокапиллярной конвекции, связанной со свободной поверхностью, был выбран вариант прибора, включающий газовую (воздушную) рабочую ячейку с начальным давлением 1 ат., оснащенную двумя парами тарированных дифференциальных термопар. Концепция эксперимента, устройство прибора и результаты лабораторного и численного моделирования течений в полях квазистатических и быстропеременных угловых ускорений в первоначальном варианте с кубической жидкостной ячейкой изложены в [52-54]. Наземное и математическое моделирование течений воздуха в цилиндрической камере полетного варианта прибора «Дакон» применительно к динамической обстановке на ОК «Мир» проведено в работах [55 -58].
В работе [59] выполнена интерпретация измерений, проведенных с помощью датчика конвекции. При этом, авторы рассматривают такой датчик, как кубическую полость, заполненную вязкой несжимаемой жидкостью, на противоположных гранях которого поддерживаются заданные, не равные между собой значения температуры. Внутри полости установлены две дифференциальные термопары для измерения разностей температур Э в двух парах фиксированных точек. На боковых гранях температура линейно зависит от координаты, материал стенок идеально проводит тепло. В результате моделирования на основе решения трехмерных и двумерных уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска показано, что показания датчика в диапазоне чисел Рг 0.1 — 100 практически не зависят от числа Прандтля и пропорциональны только числу Рэлея. Чувствительность датчика составила 10 5 g0 при 9 = 0.01 С.
Сравнение экспериментальных и расчетных данных...
В результате расчетов вариантов с качанием полости получено, как и в эксперименте, что разность температур 3 представляет собой строго синусоидальные колебания с той же частотой, что и частота качания. На рис. 9 штриховой линией показана зависимость амплитуды пульсации поперечной разности температур от частоты качания модели. Как и в эксперименте, при повышении частоты сначала происходит постепенное уменьшение амплитуды, вплоть до полного затухания колебаний при частоте / , = 0,77 Гц, после чего амплитуда начинает возрастать. Как и в стационарном случае, наблюдается завышенное значение амплитуды в расчете и сдвиг критической частоты/ . При малых частотах амплитуда стабилизируется и стремится к стационарному значению 0,35, полученному в расчетах при постоянном угле наклона 1,5. Штриховой линией на рис. 10 изображена расчетная разность фаз между перепадом температуры и углом наклона полости.
Таким образом, расчеты обнаруживают такие же эффекты, как и экспериментальные результаты - немонотонное изменение амплитуды конвективных колебаний и скачок разности фаз, однако расчетные значения отличаются от экспериментальных.
Как обсуждалось в первой главе, одной из причин возбуждения течений на космических аппаратах могут быть угловые ускорения, обусловленные разворотами спутника при работе систем ориентации, маятниковыми (вращательными) колебаниями элементов конструкции и другими факторами. Кроме того, эксперименты на наземной модели прибора «Дакон» с кубической конвективной ячейкой и выполненное математическое моделирование, изложенные выше, выявили отдельные сложные эффекты, которые могут быть связаны с воздействием угловых ускорений. В этой связи, стало целесообразным повторить наземные эксперименты, используя в качестве объекта исследований капельную жидкость, обладающую высокой чувствительностью к угловым ускорениям. Использование жидкости позволяет визуализировать возникающие течения и, тем самым, выявить структуру конвективных потоков в зависимости от действующих параметров угловых качаний, а также оценить возможное влияние фактора устойчивой стратификации при подогреве сверху.
В данном разделе приводятся результаты исследований движений, возбуждаемых маятниковыми качаниями как в изотермической, так и в неоднородно нагретой жидкости, заполняющей область в форме прямого кругового цилиндра, имеющей размеры, близкие к размерам жидкостной камеры датчика «Дакон» [58]: высоту h = 45.0 мм и диаметр 50.0 мм.
Лабораторная установка для исследований была такой же, как в экспериментах с заполненным воздухом кубическим объемом. В экспериментах создавались угловые колебания с амплитудой % = 0,047 рад (2.7), близкие к гармоническим. В среднем положении аксиальная ось симметрии полости была вертикальна, плечо качаний / = 70 мм. Температура теплообменников поддерживалась с точностью 0.1 С. При наблюдении и фотографировании структур движения использовался световой нож, создаваемый полупроводниковым лазером и цилиндрической стеклянной линзой, а в жидкости взвешивались частицы алюминиевой пудры.
В качестве исследуемой жидкости использовалось трансформаторное масло ТМ-1, теплофизические параметры которого при температуре 20 С представлены в таблице 1 [143]: коэффициенты кинематической вязкости, температуропроводности, теплопроводности и термического расширения, соответственно; р- плотность, Рг—число Прандтля.
При представлении результатов будут использоваться безразмерные параметры: число Рэлея Rag, критерий Ras, пульсационное число Рейнольдса Rep и безразмерная частота Q, которые определены в главе 1. Значения Rag 0 отвечают подогреву полости снизу, тогда как Rag 0 -нагреву сверху. В трансформаторном масле наибольшему из задававшихся перепаду температур ЛТ\ = 30 С соответствовало число Рэлея I Rag\ = 1.05-107, а наибольшей линейной частоте/= 13 Гц - безразмерная частота /2=6.9-103 и пульсационное число Рейнольдса Rep=\5. Вибрационно-конвективный критерий Ras, зависящий одновременно от обеих переменных AT и со, при их названных наибольших значениях достигал величины Ras = 5.5-105.
Вращательные вибрации изотермической полости В отсутствие разности температур между теплообменниками в трансформаторном масле наблюдались течения, схемы которых представлены на рис. 13.
При частотах колебаний, меньших 3 Гц, в объеме полости образуется восемь вихрей (фрагмент а); в среднем вертикальном сечении, совпадающем с плоскостью качаний, жидкость движется от центра к углам. При частотах / 8 Гц среднее течение в объеме также состоит из восьми вихрей, имеющих, однако, противоположную по сравнению с фрагментом а) закрутку - в среднем вертикальном сечении скорость направлена от углов к центру (рис. 13, в). В промежуточном интервале 3 / 8 Гц совершается перестроение от первой картины течения ко второй; при этом в центральной части полости имеется 16 вихрей (рис. 13,6). Используя терминологию, предложенную в работах [15,60], частоты до 3 Гц относятся к низким; частоты от 3 до 8 Гц являются переходными, а превышающие 8 Гц - высокими.
Измерение микроускорений на корпусе аппаратуры ALICE-1 -во время проведения экспериментов на ОК «Мир»
Во время каждого из стационарных режимов на нагревательный термистор подавались импульсы электрического тока с фиксированной мощностью. В эксперименте ALI-71 производилась непрерывная подача импульсов тока длительностью 0.2, 0.4, 1, 2, 4, 10, 20, 40 мс, а в ALI-72, 73 - длительностью 40 мс. Кроме этого, эксперименты ALI-72, 73 содержали промежутки нагрева с общей продолжительностью 40 и 80 с, состоящие из последовательности 40-миллисекундных пульсов с интервалами по 160 мс между ними.
Видеокамера, регистрирующая интерференционные картины, включалась за несколько секунд до подачи теплового импульса и работала в непрерывном режиме несколько минут. После этого кратковременными включениями видеозаписи с интервалами между ними до 10 мин контролировались релаксационные процессы.
Все тепловые импульсы длительностью более 1с приводили к возникновению настолько больших градиентов показателя преломления вблизи термистора, что проходящие через эту область лучи покидали поле зрения видеокамеры. Поэтому количественная обработка интерференционных картин с восстановлением поля температуры в этой области была невозможна. В итоге о происходящих процессах приходилось судить по распространению затененной области, соответствующей сильной оптической неоднородности.
Установка ALICE-1 снабжена трехкомпонентным акселерометром типа 5947 фирмы Briiell & Kjaer, позволяющим измерять и регистрировать действующие на неё линейные микроускорения. Он составлен из трех однокомпонентных акселерометров, имеющих номинальную чувствительность 0.001 м/с2, или 10 go, которая не считается высокой, однако достаточна для измерения вибрационных возмущений, вызываемых механическими источниками на борту станции.
Ниже описаны результаты измерений микроускорений, выполненных во время экспериментов ALI-72 и ALI-73. Показания акселерометра представляют собой последовательности чисел, выражающих результаты измерений в дискретные моменты времени компонент пх, Пу и nz микроускорения в системе координат, связанной с установкой (рис. 41).
Измерения выполнялись с двумя временными интервалами — 0.04 с и 10 с. Акселерометр включался на отдельных отрезках времени, суммарная длительность которых для каждого эксперимента составляла несколько часов. Измерения с периодом опроса 0.04 с объединяются в сплошные (с малыми пропусками) массивы на отрезках времени, не превышающих мин. При малых возмущениях результат измерения какой-либо компоненты микроускорения выражается одним из следующих чисел (без учета знака, в единицах g0): 0.00000, 0.00005, 0.00010, 0.00015, 0.00020, причем первые из них преобладают. Почти на всех отрезках экстремальные значения компоненты пх заметно больше по модулю экстремальных значений компонент пу и nz.
При больших возмущениях данные измерений выглядят более разнообразно. Все значительные возмущения находятся в диапазоне частот более 1 Гц, поэтому наибольший интерес представляют отрезки данных с периодом квантования 0.04 с, содержащие записи возмущений от работы бортовых устройств. Образец записи возмущений приведен на рис. 50, где изображена зависимость от времени / компоненты микроускорения пх.
Графики представляют собой ломаные, соединяющие точки, ординатами которых являются данные измерений, а абсциссы образуют равномерную сетку с шагом 0.04 с. Графики компонент пу и п2 выглядят аналогично. На рис. 50а дан общий вид возмущения, на рис. 506 и 50в в увеличенном по оси абсцисс масштабе показаны начальный и конечный участки этого возмущения. На двух последних рисунках хорошо заметны переходные процессы, отвечающие включению и выключению вызывающего возмущения электромеханического устройства. Как оказалось, источником обсуждаемых вибраций явился вентилятор системы охлаждения, установленный внутри корпуса прибора ALICE-1. В аппаратуре ALICE-2 это возмущение было устранено.
