Эрозионное воздействие истекающего потока стационарного плазменного двигателя на защитные стекла солнечных батарей

• Автор: Гаврюшин, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 156 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ (СБ) НА БОРТУ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА (КА)
1.1. Солнечная энергетическая установка и ее интеграция на КА
1.2. Особенности рабочих процессов в СЭ
1.3. Влияние условий эксплуатации на характеристики СБ
1.4. Исследования по воздействию плазменных потоков
на СБ и постановка задачи
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЗРАЧНОСТИ СТЕКОЛ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА
2.1. Задачи и методика проведения эксперимента
2.2. Экспериментальный стенд и его основные системы
2.3. Проведение методического эксперимента
2.4. Исследование оптических свойств защитного стекла
при воздействии плазменного потока
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗАЩИТНОГО СТЕКЛА
3.1. Анализ состояния поверхности стекла
3.2. Модель образования поверхностного рельефа
3.3. Влияние параметров рельефа на прозрачность стекла
ГЛАВА 4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА НА ПОЛНОРАЗМЕРНЫЕ СБ
4.1. Методы анализа и алгоритмы моделирования характеристик СБ..
4.2. Оценка уровня деградации СБ типичных КА
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ

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:
1. Анализ и определение возможных механизмов и последствий влияния плазменного потока на состояние поверхности защитных стекол СБ.
2. Разработка физических моделей процессов изменения структуры поверхности защитного стекла и влияния этого изменения на его оптические характеристики.

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.
Космическая радиация (высокие орбиты). На высоких орбитах (десятки тысяч километров) и в межпланетном пространстве обычно рассматривают космическую радиацию в виде солнечного ветра, галактических космических лучей и излучения солнечных вспышек.
Солнечный ветер на расстоянии 1 а.е. от Солнца состоит преимущественно из атомов водорода, имеющих скорость порядка 500 км/с. Плотность потока солнечного ветра составляет -2-108 см'2-с'! при объемной плотности -5 см'3. Солнечный ветер содержит также низкоэнергетические электроны (~1 кэВ) и протоны (-10 кэВ).