Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ условий функционирования солнечных батарей (сб) на борту космического аппарата (ка) 7
1.1. Солнечная энергетическая установка и ее интеграция на КА 7
1.2. Особенности рабочих процессов в СЭ 16
1.3. Влияние условий эксплуатации на характеристики СБ 32
1.4. Исследования по воздействию плазменных потоков на СБ и постановка задачи 47
Глава 2. Экспериментальное исследование изменения прозрачности стекол при воздействии плазменного потока 58
2.1. Задачи и методика проведения эксперимента 58
2.2. Экспериментальный стенд и его основные системы 67
2.3. Проведение методического эксперимента 71
2.4. Исследование оптических свойств защитного стекла при воздействии плазменного потока 96
Глава 3. Математическое моделирование процессов на поверхности защитного стекла 107
3.1. Анализ состояния поверхности стекла 107
3.2. Модель образования поверхностного рельефа 112
3.3. Влияние параметров рельефа на прозрачность стекла 122
Глава 4. Прогнозирование воздействия плазменного потока на полноразмерные СБ 129
4.1. Методы анализа и алгоритмы моделирования характеристик СБ .. 129
4.2. Оценка уровня деградации СБ типичных КА 140
Заключение 149
Список использованной литературы 151
- Влияние условий эксплуатации на характеристики СБ
- Исследование оптических свойств защитного стекла при воздействии плазменного потока
- Влияние параметров рельефа на прозрачность стекла
- Методы анализа и алгоритмы моделирования характеристик СБ
Введение к работе
Расширение области применения электроракетных двигателей (ЭРД) в качестве исполнительных органов систем коррекции и ориентации космических аппаратов (КА), работающих в околоземном и межпланетном пространстве, привело к значительному усложнению проблем, возникающих при интеграции (синтезе) энергосиловой установки (ЭСУ), включающей в качестве основных систем двигательную установку (ДУ) и энергетическую установку (ЭУ). К внутренним проблемам этого круга относятся такие, как выбор согласующих элементов между ЭРД и ЭУ (буферные батареи, преобразователи электроэнергии и т.п.), согласование циклограммы нагрузки и режимов работы, минимизация массогабаритных характеристик. Соответственно, к внешним проблемам отнесены такие, которые определяют совместную работу ЭСУ и КА в целом. Это не только вопросы выполнения космической задачи аппаратом, но и вопросы взаимного влияния работы ЭСУ и бортовых систем. Если раньше эти вопросы взаимного влияния для КА с коротким сроком работы в космосе были не так заметны, то с увеличением срока активного существования КА до 10 и более лет взаимное влияние систем не учитывать уже нельзя - настолько велики могут быть его последствия. Как показывает опыт эксплуатации различных КА, особенно "опасным" может быть длительное воздействие истекающего потока от работающего ЭРД. Этот поток характеризуется как плазменный поток, так как он представляет собой совокупность относительно тяжелых заряженных частиц (ионов) и электронов, ускоренных различными способами в электрическом или электромагнитном поле. Суть воздействия плазменного потока заключается во взаимодействии ускоренных ионов с поверхностями различных систем узлов КА. ЭРД, как двигатель малой тяги, характеризуется большими временами работы, поэтому длительное взаимодействие реально приводит к структурным изменениям поверхности, а, следовательно, и к
снижению эффективности работы элементов КА, функциональным элементом которых эта поверхность является.
Все большее число работ исследователей посвящается изучению воздействия потоков ЭРД. Однако проведение таких работ осложняется тем, что указанное воздействие носит комплексный характер, и не всегда можно разделить влияние того или иного фактора. Накопление теоретических и экспериментальных данных позволяет более обоснованно оценивать уровень последствий от воздействия плазменных потоков.
Данная работа посвящена исследованию одного из малоизученных процессов, связанного с изменением оптических характеристик защитных стеклянных покрытий солнечных батарей (СБ). В качестве источника плазменного потока выбран стационарный плазменный двигатель (СПД), получивший наибольшее распространение на КА.
В настоящее время # СБ являются одним из основных источников электроэнергии на борту КА, и от точности прогнозирования ресурса СБ во многом зависит надежность и конкурентоспособность КА. В связи с этим исследования факторов, оказывающих влияние на работу СБ, включая воздействие плазменных потоков, является важной и актуальной задачей.
Целью настоящей работы является повышение точности прогнозирования деградации характеристик СБ в условиях длительного воздействия плазменных потоков от работающих штатных СПД на борту КА.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Анализ и определение возможных механизмов и последствий влияния плазменного потока на состояние поверхности защитных стекол СБ.
Разработка физических моделей процессов изменения структуры поверхности защитного стекла и влияния этого изменения на его оптические характеристики.
Разработка методик и проведение экспериментального определения влияния ионной бомбардировки на оптические характеристики защитного стекла и определение параметров физических моделей.
Разработка методик прогнозирования изменения характеристик полноразмерных СБ при длительном воздействии плазменных потоков СПД.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Предложена физическая модель модификации поверхности стекла при ионной бомбардировке. Показано, что причиной изменения прозрачности стекла является образование на его поверхности микрорельефа.
Предложена статистическая модель образования микрорельефа, позволяющая прогнозировать его параметры в зависимости от параметров плазменного потока.
Разработана методика измерений малых изменений прозрачности защитных стекол в условиях модельного вакуума.
Получены экспериментальные данные о влиянии плазменного потока СПД на оптические свойства защитных стекол СБ.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
Впервые . проведено детальное и систематическое исследование динамики изменения прозрачности защитных стекол СБ при воздействии плазменных потоков от СПД и получены численные значения прозрачности в зависимости от времени воздействия.
Даны практические рекомендации по минимизации деградации характеристик СБ на примерах реальных КА.
Разработанные модели воздействия плазменных потоков на СБ и их математическое обеспечение носят законченный характер и могут быть использованы при проектировании и эксплуатации ЭСУ.
Основная часть диссертации разделена на четыре главы.
Влияние условий эксплуатации на характеристики СБ
В реальных условиях эксплуатации СБ подвержены воздействию обширной совокупности факторов, которые в значительной степени определяют эффективность их функционирования. При длительном сроке активного существования КА под эффективностью понимают стабильность выходных (эксплуатационных) характеристик СБ. Главным образом это относится к мощности СБ. Постепенное ухудшение со временем характеристик СБ (например, снижение мощности) обычно называют их деградацией [21]. В качестве оценки уровня деградации можно использовать коэффициент деградации, выраженный в процентах: где Р0 - максимальная мощность СБ в начальный момент эксплуатации, Р(т) - максимальная мощность СБ после ее эксплуатации в течение времени г (времени нахождения на орбите, в полете). Коэффициент Кд показывает, какая часть мощности СБ потеряна в результате воздействия внешних условий за некоторое время г. При этом всегда существует предельно допустимое снижение мощности СБ до уровня Рдоп{тр), ниже которой считается наступление параметрического отказа, т.е. когда СБ уже не может сохранять работоспособность (сохранять параметры, установленные в технической документации). Тогда время тр, прошедшее до момента наступления состояния Рдоп, будет определять ресурс СБ, а максимальная деградация будет оцениваться коэффициентом:
Уровни деградации СБ (коэффициент Кд) при эксплуатации на разных орбитах в зависимости от времени и материала ФЭП приведены в таблице 1.3.
По различным данным уровень деградации СБ на радиационно-опасных орбитах достигает почти 50% уже за 5 лет эксплуатации, тогда как на низких или на геостационарной орбите Кд составляет только около 15%.
Существенно меньше подвержены деградации СЭ на базе GaAs. Соответственно, для тех же орбит Кд для этой гетеро структуры составляет только -20% и 5%.
Относительно динамики деградации СБ сообщается [22], что по имеющимся данным СБ деградируют на 3% за первый год и на 2% за каждый последующий год, в течение 7 лет (на геостационарной орбите). При этом оптическое покрытие деградирует на 7% в первый год, а затем стабилизируется.
По другим данным [13] стандартный СЭ деградировал на 10...11% в первые 2 года и по 1% каждый последующий год. При этом ухудшение прозрачности покрытия при радиационном воздействии происходило в основном в первые 2 месяца.
Для понимания процесса деградации СБ в целом целесообразно проанализировать различные виды воздействий на СБ в реальных условиях эксплуатации. Далее приводится перечень таких видов и дается их краткая характеристика по возникновению и по физическим процессам, негативно влияющим на состояние СБ.
Космический вакуум. Космическая среда характеризуется сильным разрежением. На высотах 800... 1000 км давление составляет не более 10"п Па, а в межпланетном пространстве давление газа уже составляет 10"18Па. При таких уровнях давлений начинается активное испарение (сублимация) практически всех материалов. Особенно интенсивно испаряются даже при небольших температурах нагрева магний, кадмий, цинк. Менее интенсивно испаряются молибден, тантал, вольфрам. Для таких распространенных металлов, как алюминий и золото скорость сублимации возрастает от 0,1 мкм/год до 10 мкм/год при нагреве в диапазоне 600...900С. Металлы могут изменять свои механические свойства, в том числе в сторону ухудшения. Существенно могут изменяться свойства полимеров, особенно тех из них, которые содержат посторонние примеси, газы и т.п. При этом скорость и потеря массы наиболее высоки в начальном периоде функционирования, когда испаряемые вещества находятся вблизи поверхности материала.
Для уменьшения влияния космического вакуума рекомендуется применять плотные органические материалы, стабилизировать параметры всех материалов путем длительной выдержки в вакууме при повышенных температурах [12].
Космическая радиация (низкие орбиты). Под космической радиацией в околоземном пространстве понимается в основном различные виды корпускулярного излучения. Наибольшую плотность потока имеют электронные и протонные излучения. Число а-частиц и других компонентов корпускулярного излучения относительно мало, и их влиянием обычно пренебрегают. На относительно низких орбитах (до нескольких тысяч километров) наибольшие нарушения в СЭ образуются от электронов с энергией 0,2...1,0 МэВ и протонов с энергией 4...40 МэВ. Эти частицы оказываются захваченными магнитным полем Земли и образуют так называемые радиационные пояса, которые и являются наиболее опасными с точки зрения негативного воздействия на СБ.
Потоки электронов и протонов, проникая внутрь СЭ, создают радиационные дефекты кристаллической решетки полупроводника, часть из которых становится центрами рекомбинации. В результате значительно сокращается время жизни и диффузионная длина неосновных носителей заряда. Это приводит к снижению коэффициента собирания, степень уменьшения которого зависит от области спектральной чувствительности, типа и структуры СЭ и т.п.
Одновременно под воздействием корпускулярного излучения происходит потемнение покрытий СБ и соответствующее увеличение поглощаемого ими света. Это также приводит к снижению выходной мощности СБ. Кроме того, радиационным повреждениям подвергаются и другие элементы и материалы СБ. В большей степени изменяют свои свойства органические материалы, изменяются электрические характеристики проводящих материалов, диэлектриков, диодов и т.п.
Повышение радиационной стойкости ФЭП достигается изменением структуры и свойств полупроводниковых материалов, созданием защитных покрытий из прозрачных материалов, использованием высокотемпературного отжига радиационных дефектов и др.
Исследование оптических свойств защитного стекла при воздействии плазменного потока
В данном разделе приводится описание основного эксперимента. Его целью является получение зависимости изменения прозрачности стекла от времени и параметров плазменного потока.
На основе результатов методического эксперимента в качестве источника и приемника света теперь используется светодиод и фотодиод. В данном случае замене подвергается источник света, а именно лампа накаливания. Это объясняется тем, что лампа оказалась подвержена воздействию плазменного потока, несмотря на ее расположение ниже среза двигателя. На поверхности лампы по завершению эксперимента был обнаружен матовый налет, причиной которого могло являться осаждение частиц, распыленных со стенок вакуумной камеры.
Светодиод представляет собой полупроводниковый электрически управляемый элемент [49]. Электрические и излучательные характеристики светодиода зависят от механизма переноса носителей при смешении переходов в прямом и обратном направлениях и законов излучательной и безызлучательной рекомбинации в полупроводниках. В основе принципа действия светодиода лежит преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение, спектр которого может лежать в видимой и инфракрасной областях спектра. Использование светодиода представляет дополнительный ряд преимуществ. Вследствие малых размеров конструкции светодиода становится возможным его установка на конструкции экспериментального модуля. При обеспечении защиты светодиода элементами конструкции практически полностью исключается попадание на него каких-либо частиц, следовательно, его характеристики остаются неизменными на всем протяжении эксперимента. Светодиод с момента включения сразу выходит на рабочий режим с соответствующим спектром излучения, в то время как лампа накаливания может незначительно изменять спектр вследствие прогрева. В эксперименте используется светодиод KTN 1609 BL с максимальным значением излучения при длине волны 470 нм.
В качестве приемника света используется такой же фотодиод, как и в методическом эксперименте, марка которого ФД-263-01.
Выбор характеристик светодиода и фотодиода осуществлялся на основе результатов методического эксперимента, показывающих, что наибольшее изменение прозрачности стекла происходило в диапазоне длин волн 400-600 нм. Для уменьшения погрешности измерения выбирался светодиод с максимальным значением интенсивности светового потока при длинах волн 450-500 нм. Фотодиод выбирался, исходя из соответствия его характеристик характеристикам реального кремниевого ФЭП солнечного элемента, при этом значение его относительной чувствительности составляло порядка 0,5 при длине волны 500 нм.
В качестве источника плазменного потока в эксперименте также используется штатный стационарный плазменный двигатель типа М-70.
В основном эксперименте изготавливаются экспериментальные модули улучшенной конструкции. Воздействию плазменного потока подвергаются шесть образцов стекла, исходя из различных сочетаний параметров плазменного потока и из возможности их размещения в камере. Принципы размещения образцов относительно плазменного потока соответствуют предыдущему эксперименту. Также проводится дополнительная попытка подтверждения гипотезы о стабилизации структуры поверхности стекла при постоянных параметрах воздействия. Поэтому два образца изначально устанавливаются в положениях, при которых параметры воздействия совпадают, при дальнейшей их перестановке.
Параметры размещения образцов приводятся в таблице 2.6. Параметры плазменного потока в конкретных точках рассчитываются с использованием компьютерной программы ISP 2.01. Парные образцы 1, 3 и 4, 6 подвергаются воздействию плазменного потока с одинаковыми параметрами. Перестановка образцов осуществляется между 3 и 4 образцом. Тогда по окончанию воздействия структуры поверхности образцов 4, 1 и 3, 6 должны быть подобными.
Экспериментальный модуль для крепления образцов стекла отличается от предыдущего варианта. Как уже отмечалось выше, конструкция предусматривает возможность крепления светодиода, при этом светодиод полностью защищается от воздействия плазменного потока. В соответствии с методикой измерения прозрачности остается прежним принцип смещения стекла.
На рис. 2.17 показана конструкция модуля. Особенностью конструкции является способ крепления образца стекла и его перемещение, а также расположение фотодиода и светодиода. Образец с помощью маленьких усиков крепится на специальном секторе (поз. 4). На противоположной стороне имеется аналогичный сектор (поз. 2), который является защитной заслонкой для фотодиода и светодиода. Такие сектора имеют отверстия для прохождения светового потока. Сектора крепятся к вращающейся планке, которая в свою очередь закреплена на валу электромотора (поз. 3). Электромотор обеспечивает вращение секторов на 180, тем самым меняя их местами. Ограничителями вращения являются технологические упоры на уголке. Фотодиод (поз. 6) и светодиод (поз. 7) устанавливаются в соответствующих бобышках (поз. 1, 5).
Экспериментальный узел (рис. 2.18) состоит из двух подобных частей, каждая из которых содержит по три экспериментальных модуля.
Влияние параметров рельефа на прозрачность стекла
Приведенные на рис. 2.22 кривые спектральной прозрачности показывают, что во всем диапазоне длин волн произошло уменьшение прозрачности образцов стекла. Причем степень ослабления светового потока уменьшается по мере увеличения длины волны в соответствии с законом ехр(—-). Причиной этого эффекта, как отмечалось выше, является рассеяние и поглощение света на элементах рельефа. Уменьшение прозрачности стекла составляет при этом: где 2л(я) — эффективность экстинкции на впадинах. Под экстинкцией понимается обусловленное рассеянием и поглощением затухание электромагнитной волны при ее прохождении через среду из макрочастиц [59]. В однородных средах основным механизмом затухания обычно является поглощение. Насколько эффективно частица ослабляет свет (эффективность экстинкции), по-видимому, является объемное (или площадь геометрического сечения частицы) сечение экстинкции. Для оценки (2л(а) можно воспользоваться данными по динамике изменения прозрачности образцов, представленными на рис. 2.21. Для каждого момента времени tj имеем величину ATitJ., где / - индекс образца. Площадь впадин Sa вычисляется по формуле (3.9) и данным таблицы 3.1. Параметры распределения в промежуточные моменты времени вычисляются пропорционально (tj/t ), где fexp -полное время эксперимента.
Результаты расчета Qx{a) приведены на рис. 3.7. Для аппроксимации полученных значении использовано соотношение: при 2max = 1029,3, х0 =0,029 и // =0,329. Как видно из рис. 3.7, значения Qx (х) для всех образцов, за исключением образца №4, хорошо "ложатся" на кривую (3.13). Уменьшенное значение эффективности экстинкции для образца №4 объясняется наличием на его поверхности большого количества сливающихся впадин средних и крупных размеров, которые трудно идентифицировать. Для образца №5 существенных отклонений от зависимости (3.13) не наблюдается, что говорит о слабом влиянии свойств стекла на характеристики рассеяния света элементами рельефа.
Ход кривой (3.13) не противоречит физическим представлениям о рассеянии света малыми частицами [59], с той лишь разницей, что в области х « 0 должно наблюдаться уменьшение Qx до нулевого значения, а при х »1 эта зависимость должна иметь максимум. Однако в эксперименте были реализованы ситуации с х = 1,1...32, следовательно, ни максимум, ни область малых значений х на экспериментальной кривой могут не проявляться. По-видимому, точка (JC = 1,1, Qx =30,5) находится вблизи максимума кривой Qx (х), и при дальнейшем уменьшении х будет происходить уменьшение Qx.
Полученные данные позволяют считать, что эффективность экстинкции зависит, в основном, от среднего размера впадин и слабо зависит от процесса их образования. Конечно, для каждой длины волны эти зависимости будут различными.
Рассмотренные выше соотношения позволяют описать основные свойства микрорельефа, образующегося на стекле при ионной бомбардировке, и дать прогноз его влияния на прозрачность стекла. В качестве варьируемых параметров рассмотрим глубину эрозии стекла и угол падения ионов. Энергию ионов примем ,. я 150-200 эВ. Расчеты будем проводить для фиксированной длины волны X = 500 нм.
Методы анализа и алгоритмы моделирования характеристик СБ
СБ представляет собой сложный и ответственный элемент КА как по своим относительным габаритам, так и по выполняемым функциям. В связи с этим батарея может быть представлена целым рядом характеристик. К основным классам характеристик относят конструктивные, эксплуатационные, электрофизические, оптические и ряд других. Основная часть данной работы посвящалась исследованию воздействия плазменных потоков на поверхность защитных стекол СБ. Поэтому основной характеристикой для рассмотрения в данном разделе выбрана одна из оптических характеристик, а именно степень прозрачности защитного стекла батареи. Сама по себе оптическая характеристика не представляет практического интереса, так как основная роль батареи обеспечивать КА электрической энергией. Однако очевидна связь между оптической и электрической характеристиками. Любое изменение оптических свойств защитного стекла приводит к изменению электрических параметров СБ, в частности выходной мощности. В данном разделе показана возможность оценки этого влияния с помощью специально разработанных расчетных алгоритмов.
Рассмотрение вопроса моделирования можно проводить двумя путями. В одном случае СБ рассматривается как единый объект, который испытывает комплекс воздействий, приводящих к ее деградации. При этом воздействия не разделяют на отдельные процессы, а рассматривают как комплексный неделимый фактор, ухудшающий характеристики СБ. Тогда алгоритмом прогнозирования характеристик батареи может являться только статистический анализ. При известных параметрах полета КА, т.е. выполняемой космической задачи, на основе уже существующих летных данных проводится анализ работы СБ в заданных условиях, а также осуществляются оценочные расчеты по прогнозированию характеристик СБ на конец эксплуатации. Недостатком такого подхода является невысокая точность расчетных оценок. Это в свою очередь приводит к завышению параметров СБ на этапе проектирования для гарантированного выполнения своих функций в конце полета. Завышение параметров выражается в создании батареи с большей площадью, т.е. обеспечивается запас мощности посредством большего количества солнечных элементов. В этом случае не решается задача минимизации массы и габаритов КА, что связано с большими экономическими затратами.
Другим подходом к моделированию характеристик СБ является независимое рассмотрение элементов СБ и факторов воздействия на эти элементы. В этом случае алгоритмом прогнозирования характеристик батареи являются математические модели, дающие более точные результаты. Параметры модели, являющиеся исходными данными для расчетов, получают, как правило, из лабораторных экспериментов. В отличие от предыдущего подхода к моделированию стоимость "получения" исходных данных значительно ниже за счет возможности проведения наземных испытаний. Помимо получения точных результатов расчета такой подход подразумевает создание гибких моделей, что важно при возможной корректировке математического описания какого-либо отдельного фактора воздействия. Все вместе это предоставляет инструмент для эффективного исследования многофакторного воздействия плазменных потоков на СБ. Однако этот подход также не лишен недостатков. Если учесть количество возможных сочетаний элементов СБ и типов воздействия, то построить и увязать между собой соответствующие модели практически невозможно и потребует больших затрат при проведении различных лабораторных экспериментов. При этом могут возникнуть такие сочетания, которые рассматривать по отдельности недопустимо, так как сумма эффектов отдельных комбинаций "элемент СБ - тип воздействия" может не соответствовать одновременному их проявлению. Однако, как отмечалось в первой главе, можно выделить такие типы воздействия на СБ, которые являлись бы преобладающими, т.е. наносили бы наиболее сильные последствия или были бы соизмеримыми с одновременным эффектом нескольких типов воздействия. Поэтому в данном разделе продолжается рассмотрение такого преобладающего воздействия как плазменные потоки двигателя КА. В качестве элемента СБ в описываемых ниже алгоритмах выступает защитное стекло. Каждый из этих алгоритмов имеет свою реализацию в виде компьютерной программы, позволяющей проводить расчетные оценки за короткое машинное время.
Алгоритм 1. Предлагаемый алгоритм основывается на использовании среднего значения потери прозрачности защитного стекла по всей поверхности СБ. Поверхность СБ разбивается сеткой с заданным шагом, при этом каждый узел сетки воспринимается как отдельный точечный СЭ со своим защитным стеклом. В исходных данных для каждой узловой точки задается информация о параметрах воздействия, в частности угол падения частиц и скорость эрозии. В соответствии с разработанной моделью эти параметры позволяют рассчитать характеристики рельефа и на их основе получить значение потери прозрачности стекла.
Воздействие плазменного потока на стекло характеризуется некоторой продолжительностью. Продолжительность воздействия и скорость эрозии поверхности позволяют получить значение глубины эрозии. Глубина эрозии влияет на характерный размер впадин, которые и представляют собой образующийся на поверхности стекла рельеф. Под продолжительностью воздействия, по сути, понимается суммарное время воздействия плазменного потока за все время эксплуатации КА. Используя значения глубины эрозии и угла падения частиц, рассчитывается в каждой точке потеря прозрачности стекла. Результатом таких расчетов является достаточно большой массив данных, описывающий распределение степени потери прозрачности по поверхности СБ. На этом этапе для оценки потери прозрачности всей батареи использование такого массива нецелесообразно, поэтому берется среднее значение потери прозрачности. В случае такого распределения потерь прозрачности, когда имеются точки с нулевыми потерями прозрачности (например, периферийные области СБ) алгоритм предусматривает их удаление, так как в противном случае получается заниженное значение средней потери прозрачности.
