Электрофизика ракетно-космического полета и электрофизические методы контроля и диагностики изделий РКТ


Пушкин Н.М.







ЭЛЕКТРОФИЗИКА РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ИЗДЕЛИЙ РКТ




Монография










Москва Издательство «Научный Консультант» 2016

УДК 533.923:629.78
ББК 39.66
     П 91












П91    Электрофизика ракетно-космического полета и электрофизические
     методы контроля и диагностики изделий РКТ: монография / Н.М. Пушкин. - М.: Научный консультант. - 2016. - 278 с.
        ISBN 978-5-9908699-2-9







        В монографии рассмотрены электрофизические процессы, возникающие на изделиях ракетно-космической техники (РКТ) в процессе полета. Описан комплекс приборов для измерения электрофизических параметров на внешней поверхности изделий, а также результаты измерений параметров электростатических и переменных электрических полей на изделиях РКТ. Изложены электрофизические методы контроля и диагностики изделий РКТ.

УДК 33.923:629.78
ББК 39.66












ISBN 978-5-9908699-2-9

© Пушкин Н.М., 2016
     © Оформление. Издательство «Научный

консультант», 2016

    ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение.............................................7
Глава I. Электрофизические процессы, возникающие на изделиях РКТ в процессе полета.................. 17
1.1 Электрическая зарядка изделий РКТ при взаимодействии с внешней средой...................... 17
     1.1.1 Электризация изделий при движении в атмосфере на активном и пассивном нисходящем участках полета......................................... 17
     1.1.2 Электризация изделий при движении в ионосфере...................................... 23
     1.1.3 Электризация изделий при полете в магнитосфере и в зоне полюсов Земли............ 29
1.2 Объемные и поверхностные заряды на изделиях РКТ при истечении электрически заряженных
     компонентов.....................................33
     1.2.1 Электрофизические процессы при истечении реактивных струй и газожидкостных
         компонентов.................................33
     1.2.2 Электрофизические процессы при подрыве пиросредств.....................................43
     1.2.3 Электрофизические процессы при инжекции электронных пучков............................. 47
1.3 Разделение электрических зарядов при взаимном перемещении металлических и диэлектрических материалов...........................................51
1.4 Влияние электрического и магнитного полей Земли на распределение электрических зарядов на поверхности изделий................................. 60
1.5 Распределение напряженности электростатического поля на внешней поверхности изделий..................64
1.6 Разрядные процессы на изделиях РКТ.............. 76
1.7 Собственное электромагнитное излучение изделий в процессе полета..................................... 89
1.8 Излучение изделий в оптической области спектра, обусловленное разрядными и ионизационными процессами...........................................⁹⁴

3

Глава II. Комплекс приборов для измерения электрофизических параметров на внешней поверхности изделий.............................. 98
2.1 Методика и первичные преобразователи для измерения напряженности поверхностных электростатических полей................................................. 100
     2.1.1 Анализ воздействия на датчик
          электростатического поля факторов космического пространства.................... 119
     2.1.2 Вторичный преобразователь к датчику электростатического поля......................... 128
2.2 Измерители поверхностных переменных электрических полей и натекающих токов................ 135
2.3 Измерители потенциалов КА в ионосферной плазме, измерители напряженности пространственных электрических полей................................... 138
2.4 Приборы для измерения напряженности слабых переменных магнитных полей на внешней поверхности изделий................................... 143
2.5 Измерение концентраций основных составляющих ионосферной плазмы.................................... 148
2.6 Классификация и основные характеристики приборов бортового комплекса измерения электрофизических параметров............................................ 152
2.7 Размещение датчиковых средств на внешней поверхности изделий при проведении натурных исследований электрофизических параметров............. 158
2.8 Стендовые средства измерения радиоизлучения реактивных двигателей................................. 162
2.9 Аппаратура контроля излучения изделий в оптической области спектра....................................... 163
2.10 Приборы контроля процессов дегазации КА и установления вакуума в зоне возможных разрядных процессов............................................. 165

4

Глава III. Результаты измерений параметров электростатических и переменных электрических полей на внешней поверхности изделий РКТ..........................................173
3.1 Результаты измерений на ракетах-носителях........ 174
3.2 Результаты измерений на спутниковых объектах..... 180
     3.2.1 Результаты измерений на аппаратах, летящих в нижней ионосфере.................................180
     3.2.2 Результаты измерений на спутниках, движущихся по низким полярным орбитам.......................172
     3.2.3 Основные результаты измерений на геостационарных и высокоэллиптических спутниках........................................188
3.3 Результаты измерения на аппаратах, движущихся на нисходящем участке полета в атмосфере Земли.......... 190
3.4 Результаты измерений оптического излучения изделий...............................................192
3.5 Результаты предварительных исследований радиоизлучения некоторых изделий РКТ................. 196
Глава IV. Электрофизические методы контроля и диагностики изделий РКТ....................200
4.1 Контроль дестабилизирующего влияния электрических зарядов на изделиях РКТ.................201
     4.1.1 Анализ воздействия электрических полей и разрядных процессов на бортовую аппаратуру и соединительные линии.............................201
     4.1.2 Схемно-конструктивные способы снижения влияния электрических полей и разрядных процессов на бортовые системы и их соединительные линии.............................205
     4.1.3 Алгоритмы учета влияния электрических разрядов на работу аппаратуры контроля и управления.......................................207
     4.1.4 Активные и пассивные системы нейтрализации электростатических зарядов изделия...............210
     4.1.5 Предотвращение электрических разрядов в высокоэнергетических цепях КА................... 214

5

4.2 Электрофизические методы контроля некоторых параметров движения изделия..........................216
     4.2.1 Контроль момента старта изделия, разделения
         ступеней и отделения полезных нагрузок..... 216
     4.2.2 Контроль прохождения изделием аэродинамических скачков уплотнения............. 220
     4.2.3 Определение положения вектора скорости изделия и его угловых параметров при движении изделия в ионосфере..............................225
4.3 Электрофизические методы контроля и диагностики ракетных двигателей..................................226
     4.3.1 Исследование основных закономерностей
         электрофизических процессов в двигателях..... 226
     4.3.2 Способы и устройства для бесконтактного электрофизического контроля ракетных двигателей.......................................236
4.4 Электрофизические методы контроля КА при проведении активных экспериментов в космосе......... 247
     4.4.1 Контроль потенциалов и электрических полей
         изделий при инжекции электронных пучков...... 248
     4.4.2 Контроль электрических полей КА при инжекции плазменных образований.......................... 253
     4.4.3 Электрические поля при выпуске с борта КА воздуха, газожидкостных смесей и продуктов реактивных струй................................ 259
     4.4.4 Низкочастотные электрические поля при генерации в ионосферной плазме
         СВЧ-излучений.............................. 262
4.5 Электрофизические методы контроля при реализации сторожевых систем................................... 264

Литература.......................................... 268

6

    ВВЕДЕНИЕ


     Полет изделий ракетно-космической техники сопровождается целым рядом физических процессов - аэродинамических, вибрационных, ударных, тепловых, акустических и др. Наименее изученными среди них являются электрофизические процессы, связанные с разделением, накоплением и преобразованием электрических зарядов на внешней поверхности изделий РКТ, а также в газовых, жидких и плазменных средах внутри изделия и в областях, прилегающих к его внешней поверхности. Внимание к изучению упомянутых явлений в последние годы существенно возросло, что обусловлено двумя причинами.
     Одна из причин связана с влиянием электрофизических процессов на работоспособность изделия: они приводят к его электрической зарядке в полете. Возникающие при этом переменные поля и разрядные процессы являются серьезным дестабилизирующим фактором в работе бортовых микроэлектронных систем ракет-носителей (РН) и космических аппаратов (КА) с их низким уровнем информационных сигналов и питающих напряжений. В практике летных испытаний отечественных и зарубежных изделий накоплен значительный объем статистических данных о сбоях и неисправностях бортовых систем, а также о случаях потери объектов, когда, по заключению комиссий, одной из наиболее вероятных причин неисправностей и отказов изделий и их систем являлись явления, связанные е электрической зарядкой. Так, например, были классифицированы повышенные ошибки работы каналов ионных датчиков ориентации аппаратов «Союз» при работе двигателей, неполадки на космических аппаратах «Горизонт» и др., сбой систем контроля и управления французской ракеты «Ариан» и ее авария, авария американской ракеты «Атлас-Центавр», нарушения функционирования систем контроля и управления геостационарных и высокоэллиптических спутников ATS-5, ATS-6.
     Электрическая зарядка КА обуславливает также ухудшение работы бортовых оптических систем и пиротехнических приборов. Возникающие электрические разряды могут оказать значительное влияние и на пожаро-взрывобезопасность кислородно-водородных изделии.
     Другой причиной, обуславливающей необходимость более полного изучения электрофизических процессов, сопровождающих

7

полет изделий РКТ, является возможность использования упомянутых процессов для контроля функционирования некоторых агрегатов изделий, например реактивных двигателей (РД), электронно-ионных инжекторов при проведении активных экспериментов в космосе и др. Предварительная проработка этой проблемы показывает перспективность данного направления стендовой и летной отработки изделий РКТ.
     В результате анализа всей совокупности явлений, сопровождающих полет изделий РКТ и их испытания в стендовых условиях, можно заключить, что электрофизические процессы обуславливаются следующими факторами (рис. 1) [130]:
     -     взаимодействием изделий с внешней средой - атмосферой, ионосферой, магнитосферой, излучением Солнца;
     -     истечением электрически заряженных компонентов -ионизированных газовых струй двигателей и работающих пиросредств, жидкостей и газожидкостных смесей; инжекцией электронных, ионных и плазменных пучков;
     -     взаимодействием изделий с внешними полями -электрическим полем Земли и облаков, ее магнитным полем;
     -     механическим взаимодействием металлических и диэлектрических материалов изделий.
     При движении ракеты-носителя в атмосфере на активном участке ее траектории электрическая зарядка элементов РН и протекающие при этом электрофизические процессы определяются взаимодействием ее корпуса со взвешенными частицами пыли, облаков и осадков. Уровень электрической зарядки РН определяется фазовым состоянием частиц, типом материала ее корпуса, скоростью полета, напряженностью электрического поля атмосферы и облаков. В случае движения изделий в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями, в частности, на нисходящем участке траектории, электрические процессы на поверхности зависят от степени разогрева газа, окружающего КА, и температуры его поверхности, что определяет электронную и ионную эмиссию. При этом, наибольшие электрические поля и заряды на поверхности аппарата могут возникать на начальном и конечном участках траектории его спуска, вне зоны плазмообразования. Взаимодействие протяженного плазменного следа с электрическим полем Земли (планет) может приводить к образованию пространственного диполя и

8

существенному возрастанию напряженности поля вплоть до пробойной.
     В ходе полета космического аппарата в ионосфере уровни его электрической зарядки и характер протекающих при этом электрических процессов определяются соотношением скорости ионосферных ионов и электронов и скорости КА. В силу значительно меньшей скорости ионов по сравнению со скоростью последнего в районе его тыльной, по отношению к вектору скорости поверхности, возникает зона разряжения ионов. В результате образуется область электронного отрицательного заряда, которая компенсируется цилиндрическим слоем положительных ионов. Это определяет напряженность электрических полей в районе тыльных поверхностей изделий. Существенное влияние на уровень электрической зарядки поверхностей КА, особенно диэлектрических, оказывают воздействие на данные поверхности ультрафиолетового излучения Солнца и, в районе полюсов Земли, потоков высокоэнергетических электронов, а также ориентация аппарата относительно вектора магнитного поля. В определенной степени электрическая зарядка КА зависит и от ионной эмиссии.
     В случае движения космического аппарата в магнитосфере на геостационарных и высокоэллиптических орбитах уровни его электрической зарядки могут быть максимальными. Это определяется низкой проводимостью среды и значительной энергией воздействующих на КА электронов, особенно, в периоды солнечной активности, магнитных бурь и суббурь. Электризация аппаратов максимальна в вечерние и в предутренние часы по местному времени и возрастает в периоды, когда КА находится вне плазмосферы. Значительные уровни электрической зарядки КА обуславливают разрядные процессы между разнопотенциальными элементами его конструкции. В результате накопления электрических зарядов в диэлектрических материалах разрядные процессы могут наблюдаться как на затемненном, так и на освещенном участках орбиты.
     Одним из мощных источников электрической зарядки изделий РКТ являются работающие ракетные двигатели. К настоящему времени достаточно хорошо разработана теория электрической зарядки корпуса РД вследствие разделения электронного и ионного компонентов истекающих из камеры сгорания двигателя ионизированных продуктов. Однако данный механизм не объясняет всех особенностей двигательной электризации и, в частности, резкого

9

увеличения уровня токов электризации при запуске, изменении режима и выключении РД. В книге предложено и теоретическое обоснование механизма повышенной электрической зарядки двигателя вследствие выноса из него положительно заряженных сажистых частиц. Положительный заряд сажистых частиц обуславливается эмиссией с их поверхности отрицательных ионов СО" с последующим их распадом и образованием свободного электрона. За счет этих процессов увеличиваются токи зарядки корпуса РД; может происходить также эмиссия ионов и со стенок камеры сгорания РД. Суммарный вынос положительно заряженных сажистых частиц и ионов с внутренней поверхности камеры сгорания и определяет повышенный уровень электрической зарядки КА в момент запуска, изменения режимов и выключения РД.
     Некоторое влияние на процессы электрической зарядки изделий может оказать перекачка по трубопроводам жидких диэлектрических компонентов и выпуск во внешнюю среду газожидкостных компонентов. В этом случае, вследствие разделения электрических зарядов на границе «внутренняя стенка трубопровода или сопла -жидкость», также возникают токи электрической зарядки.
     Аналогичные описанным процессы разделения электрических зарядов протекают и при срабатывании пиротехнических средств -пирошнуров и пиропатронов, которые можно представить как кратковременно работающий двигатель. В случае несимметричного разлета ионизированных продуктов взрыва пиросредств основными факторами, дестабилизирующими работу бортовых систем, являются импульсные электрические и магнитные поля и импульсно осаждающиеся на поверхности соединительных линий электрические разряды продуктов взрыва. Зона действия этих факторов небольшая, однако, напряженность электрических полей может достигать значительных величин.
     Наряду с истечением газовых струй, электрическая зарядка элементов КА наблюдается при инжекции с его борта электронных и ионных пучков. В указанном случае за весьма короткое время корпус изделия может зарядиться до значительных потенциалов вплоть до прекращения инжекции пучка. Величина токов зарядки определяется током пучка, а также скважностью и длительностью импульсов инжекции. Как показали выполненные исследования, величина равновесного потенциала корпуса изделия во многом зависит от токов нейтрализации, а те, в свою очередь - от плотности

10

ионосферой

атмосферой

Взаимодействие КА с внешней средой

ионных и плазменных лучков

жидкостей и газожидкостных смесей

реактивных струй, газов, пиросредств

Истечение заряженных н электрически нейтральных частиц и компонентов

магнитным полем Земли

электрическим полем Земли и облаков

Взаимодействие КА с внешними полями

Взаимодействие металлических и диэлектрических материалов КА

1

1

1

Физические причины возникновения




т

Электрофизические процессы на поверхности изделий, кх электрическая зарядка в полете




4

Направления прикладного использования



г

т

т



т

1

Контроль дестабилизирующего влияния электрофизических процессов на КА

Контроль работы двм гате; лей

режимов работы

Контроль некоторых параметров движения КА

длительности импульса

Контроль ориентации КА

Контроль при проведении активных экспериментов в космосе

Контроль излучений и воздействий на КА

эрозии прогаров

электронных, ионных и плазменных инжекторов

оптических налученнй

высокочастотных и сверхвысокочастотных излучателей

электромагнитных излучений

пучковых воздействий

динамики плазменных процессов



процессов при работе троссовых систем



Рисунок 1. Физические причины возникновения и направления прикладного использования электрофизических процессов на изделиях РКТ

11

нейтральных частиц среды. Нейтральная компонента ионизируется ускоренными, в поле положительного заряженного корпуса, электронами и определяет величину токов нейтрализации, которые могут увеличиваться за счет плазменного пучкового разряда и разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях вблизи поверхности КА.
     Сложные электрофизические процессы происходят и в приповерхностной зоне при инжекции плазменных пучков.
     В случае взаимного механического смещения диэлектрических и металлических элементов КА и материалов в соединительных экранированных линиях при вибрации и ударах также происходит разделение разрядов и электрическая зарядка элементов аппарата. Оценить возникающие при этом электрические потенциалы можно на основе энергетической схемы распределения элементарных зарядов на границе раздела металл-диэлектрик с учетом вероятности захвата электрона металла атомами диэлектрика как функции величины энергии связи электрона с атомами диэлектрика. Вероятность туннельного перехода электронов зависит от температуры, энергии сродства электронов контактирующих материалов, минимального расстояния между ними и величины работы выхода электрона из металла. Экспериментально установлено, что величина появляющихся электрических зарядов не зависит от внешнего давления (высоты полета) и таким образом не определяется закономерностями газового разряда.
     Одной из важнейших, при исследовании упомянутых электрофизических процессов, является задача создания методик расчета распределения напряженности электростатического поля на внешней поверхности изделий и определения наиболее вероятных зон возникновения разрядных процессов. В книге предложена методика определения напряженности на основе представления корпуса РН и реактивной струи как дипольной системы зарядов. Рассмотрено два случая: первый, когда заряд в реактивной струе находится на внешней поверхности изделия, и второй, когда заряд распределен по объему струи. Последний случай соответствует заряжению РН за счет выноса из РД заряженных сажистых частиц. При расчетах, с целью их упрощения, объемный заряд реактивной струи заменен системой зарядов на поверхности тонких дисков. Задача нахождения распределения напряженности поля с использованием предложенных физических моделей решена

12

численно с помощью систем интегральных уравнений первого рода. Обобщение полученных расчетных и графических материалов позволило сделать следующие основные выводы. Максимальная напряженность электростатического поля наблюдается на срезе сопла двигателя, кромке донной части РН и, в меньшей степени, на его вершине. Степень неравномерности распределения напряженности поля на поверхности аппарата увеличивается по мере уменьшения длины заряженной части реактивной струи и увеличения заряда струи.
     При значительных уровнях напряженности электрического поля на изделии могут возникать разрядные процессы. В ходе полета РН в атмосфере величина напряженности поля пробоя и динамика изменения характера разрядных процессов определяются законом Пашена. Исходя из этого, до высот 20-30 км на поверхности аппарата могут возникать электрические разряды коронного и импульсного характера. Наиболее вероятным элементом, на поверхности которого развиваются разрядные процессы, является кромка сопла РД. Путем учета параметров электрических разрядов можно определить основные зависимости, характеризующие период следования разрядных процессов, а также вид спектра возникающей при этом импульсной последовательности разрядов. На высотах, больших 2030 км, импульсные разряды переходят в разряд тлеющего характера, который может постепенно развиваться на всей проводящей поверхности изделия, так как в этом случае условие динамического равновесия определяется суммарным током разрядного процесса. В случае движения КА в ионосфере разряды тлеющего характера могут возникать в прилегающих к его заряженным поверхностям зонах. При полете в верхних слоях ионосферы и в магнитосфере на внешней поверхности аппарата между разнопотенциально заряженными его элементами вновь могут появляться поверхностные импульсные разряды.
     Наличие на поверхностях изделий РКТ нестационарных во времени электрических зарядов и разрядных процессов в целом ряде случаев может обуславливать возникновение электромагнитных излучений, чему способствует существование проводящей части реактивных струй и плазменных спутных следов. При этом система корпус изделия - плазменная струя становится своеобразным дипольным излучателем.

13

     Излучение плазменной области при движении аппаратов по нисходящему участку траектории можно оценить на основе приближения Релея-Джонсона и дипольных моделей.
     В ионосфере плазменные электростатические волны и радиоизлучения могут наблюдаться при работе двигателей ориентации КА и инжекции с его борта электронных пучков.
     Вследствие возбуждения атомов и молекул разрядные и ионизационные процессы обуславливают оптическое свечение прилегающей к изделию окружающей среды. Возбуждение частиц может происходить под воздействием электронов, ускоренных электростатическим полем, электронных лавин в разрядных процессах, а также высоких температур. При этом зонами оптического излучения являются: в случае импульсных и коронных разрядов с кромки сопла двигателя - зона, непосредственно прилегающая к ней, при разрядах, тлеющего характера - среда, прилегающая к проводящей поверхности изделия, в ходе движения КА в ионосфере - области, прилегающие к тыльным и лобовым его поверхностям. Оптическое излучение обуславливают реакции ионизации молекул кислорода, азота, окиси азота.
     Теоретический анализ электрофизических процессов, сопровождающих полет космических аппаратов, не всегда позволяет правильно и достаточно полно установить закономерности и ожидаемые параметры изучаемых явлений. Окончательное заключение можно сделать только по результатам натурных измерений и экспериментов.
     Для выявления основных особенностей упомянутых процессов на различных участках траектории движения КА необходим бортовой комплекс измерительных приборов, которые обеспечили бы определение параметров сопутствующих электрических величин с целью оценки истинной энергетической значимости каждого параметра исследуемого процесса. Например, результаты измерений напряженности электростатического поля на внешней поверхности спутника не дают представления об энергетике электрофизического процесса без данных о концентрации частиц окружающей плазмы. Оценка напряженности электрического поля не дает полного представления о плазменном волновом процессе без знания параметров магнитного поля. Подобные примеры можно продолжить. В ходе экспериментальных работ в зависимости от решаемых задач перечень измеряемых параметров может быть различным.

14