Математическое моделирование процессов газовыделения полимерными композиционными материалами космического назначения

• Автор: Хасаншин, Рашид Хусаинович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 156 с. : ил.

ГЛАВА
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЯМ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ
1.1. Основы кинетики и динамики поверхностных явлений
1 ^.Моделирование процессов газовыделения и конденсации ЛВ
1.3. Лабораторные и натурные исследования материалов космического назначения
ГЛАВА
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА НА ПРОЦЕСС ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПКМ В ВАКУУМЕ
2.1.Математическая модель газовыделения
2.2.Математическая модель конденсации летучих продуктов, образованных при газовыделении полимерными композиционными материалами 56 2.3.Экспериментальные исследования кинетики газовыделения при различных значениях температуры материала
Выводы по второй главе
ГЛАВА
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УФ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЦЕСС ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПКМ
3.1.Математическая модель влияния УФ излучения на процесс газовыделения ПКМ
3.2.Экспериментальные исследования влияния ультрафиолетового излучения на кинетику газовыделения
Выводы по третьей главе
ГЛАВА4
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЦЕСС ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПКМ
4.1. Расчёт интегральных характеристик взаимодействия электронного излучения с ПКМ
4.2. Математическая модель влияния электронного излучения на газо-выделение ПКМ
4.3. Экспериментальные исследования влияния электронного излучения на газовыделение ПКМ
Выводы по четвертой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) обладают комплексом свойств, позволяющим использовать их в качестве внешних покрытий различных космических аппаратов (КА). При этом, газовыделение этих материалов в условиях эксплуатации является одним из основных источников летучих веществ, способных конденсироваться на чувствительных к загрязнениям поверхностях бортовой аппаратуры, таких как поверхности оптических систем управления, элементов солнечных батарей и т.д. Это обстоятельство, в свою очередь, является одним из факторов, потенциально ограничивающих работоспособность и срок службы КА. С дальнейшим увеличением сроков активного существования космического аппарата создание прогностических моделей газовыделения материалами покрытий и загрязнения чувствительных поверхностей продуктами собственной атмосферы КА становится всё более актуальной задачей [1-6].
В общем случае, газовыделение полимерными композиционными материалами в вакууме складывается из следующих основных процессов:
• десорбции летучих веществ, адсорбированных на поверхности ПКМ или образовавшихся на нём при воздействии внешних факторов;
• диффузии и десорбции летучих веществ, абсорбированных ПКМ или образованных в нём в результате термической деструкции, воздействия электромагнитного или ионизирующего излучения;
• испарения (сублимации) полимерного композиционного материала в вакууме, вызванного воздействием внешних факторов.
Поскольку энергия связи молекул полимерных материалов может быть сравнимой или меньше, чем энергия некоторых квантов электромагнитного излучения, то их воздействие, как и воздействие ионизирующих излучений, на эти материалы может усилить эффект сублимации в вакууме.
Таким образом, газовыделение материалами покрытий КА - это результат нескольких процессов, происходящих в полимерных композиционных материалах и на их поверхностях, как реакция на внешнее воздействие.

С увеличением длительности полетов КА и их конструкционной сложности появляется необходимость развития инженерных моделей современного уровня, описывающих процессы газовыделения материалами покрытий и конденсации образовавшихся летучих веществ на отдельных поверхностях космического аппарата. При постоянном улучшении качества знания о физико-химических процессах, происходящих на границе материал-вакуум под воздействием факторов КП, основными направлениями исследований являются [1-10]:
- идентификация источников загрязнения;
- изучение их кинетики газовыделения;
- исследование конденсации продуктов газовыделения;
- анализ снижения эксплуатационных характеристик большинства приборов, чувствительных к загрязнению.
При выборе процессов, определяющих исследуемые явления, необходимо идентифицировать компоненты летучих веществ (JIB), участвующие в них, и оценить уровни воздействия факторов космического пространства (ФКП) на орбите, на которой предполагается эксплуатация данного материала. Так, например, на некоторых околоземных орбитах можно пренебречь влиянием на процесс газовыделения электронного и протонного излучения по сравнению с влиянием ультрафиолетового излучения (УФ), воздействующего на материал - источник JIB, а на геостационарной орбите их влияние становится определяющим. Для понимания макроскопических особенностей воздействия ФКП на газовыделение полимерными композиционными материалами в вакууме необходимо отдельно исследовать влияние на этот процесс температуры материала - источника летучих веществ, воздействия на него УФ и ионизирующего излучения космического пространства.

газовыделения необходимо знать концентрацию ЛК в приповерхностном слое материала в любой момент времени и воспользоваться граничными условиями соответствующего дифференциального уравнения, описывающего изменения концентрации этой летучей компоненты в данном материале. Интегрирование последней по времени даёт величину потока летучего вещества, выделенного через границу поверхности материала за промежуток времени /. В лабораторных условиях часто реализуется случай, когда толщину и температуру образца можно считать постоянными, и тогда выражение для потока с единицы поверхности имеет простой вид:
= г а. (2-8)
~'ь.
где л, =л’д +^ст1_,1+х,-
На графике 2, б представлена зависимость интегрального потока летучего вещества, выделяющегося с единицы площади поверхности на границе материал - вакуум, от параметра М/ и времени при о=0. Этот график подтверждает обоснованность подробного численного анализа функции С(х,1) потому, что десорбционное и диффузионное сдерживание процесса газовыделения наиболее очевидно проявляется на графике 2, а.
Для проведения численного эксперимента по исследованию влияния скорости испарения материала на кинетику газовыделения, значение этого параметра было выбрано так, чтобы за время «наблюдения» за этим процессом испарилось от 5 до 30% материала. На графике 3, а (рис. 3) показана зависимость скорости газовыделения